用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑及形成线单元的制作方法

1.本发明属于脉冲功率及高电压绝缘技术领域，具体是一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑及形成线单元。


背景技术：

2.绝缘支撑是脉冲功率装置不可缺少的组成部件，其可靠与否直接决定脉冲功率装置的长期稳定运行。
3.随着脉冲功率技术向轻量化、小体积、长寿命和高可靠方向发展，要求绝缘支撑件不仅要尺寸小、耐受电压高，通常数个兆伏量级，并且能够长时间可靠工作。在高电压绝缘领域，传统做法是将绝缘件表面45度设计，图1给出了某脉冲功率装置中的形成线单元组成示意图。该形成线单元由圆柱状的形成线内导体3、圆筒状的形成线外导体4、薄壁桶状的初级线圈5、薄壁圆台状的次级线圈6和一对前盆式绝缘支撑1、后盆式绝缘支撑2组成。这一对盆式绝缘支撑即采用45度斜角设计，具有沿面距离长、闪络阈值高、适合气体绝缘等优点。缺点是与之匹配的形成线内导体3长于形成线外导体4，进而造成整个脉冲功率装置的轴向尺寸加长。
4.公布号为cn106601388a的中国发明专利，公开了一种具有孔穴微槽织构化表面的绝缘子及其制备方法，该发明专利为了缩短传统盆式绝缘子的轴向尺寸，提出了表面刻微槽的绝缘支撑。该绝缘支撑在保持耐受电压水平不变的前提下，大幅减小了绝缘支撑自身的包络尺寸。但由于表面刻微槽的特征尺寸在数十μm至百μm，所以该绝缘支撑仅适合真空环境工作，不适合六氟化硫等气体环境工作。


技术实现要素：

5.为了解决盆式绝缘支撑轴向尺寸大以及刻微槽绝缘支撑不适合气体环境工作的不足，本发明提出了一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑及形成线单元。
6.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
7.一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，为整体结构，圆环形，上表面和下表面对称，可分为依次相连的外侧平段、外侧斜面段、中间平段、内侧斜面段、内侧平段。
8.所述外侧平段与所述内侧平段的厚度相等，中间平段的厚度大于外侧平段的厚度，外侧斜面段、内侧斜面段的厚度沿直径方向随直径线性变化。
9.所述中间平段设置垂直中间平段表面的多个外圈通气孔、多个内圈通气孔，所述外圈通气孔、所述内圈通气孔为通孔，对称均布。所述外圈通气孔、所述内圈通气孔所在圆环的环宽相等。每个外圈通气孔、每个内圈通气孔均为扇环形，即圆环的一段。每个外圈通气孔、每个内圈通气孔所在扇环的中心圆弧长度相等。
10.所述绝缘支撑材料为高分子聚合物。
11.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述外侧平段设置外侧平段减薄区域，所述外侧平段减薄区域与所述外侧斜面段相邻；所述外侧平段减薄区域为圆环，
环宽、厚度均小于所述外侧平段。
12.所述内侧平段设置内侧平段减薄区域，所述内侧平段减薄区域与所述内侧斜面段相邻。
13.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述外侧平段减薄区域与外侧平段相比，减薄深度为d，d＝0.5～1.5mm，所述外侧平段减薄区域的环宽为m1，m1＝10～12mm。
14.所述内侧平段减薄区域的减薄深度与所述外侧平段减薄区域的减薄深度相等，所述内侧平段减薄区域所在圆环的环宽与所述外侧平段减薄区域的所在圆环的环宽相等。
15.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述外侧斜面段、所述中间平段、所述内侧斜面段的表面还可以设置横截面为等腰三角形的刻槽，所述刻槽为同心圆刻槽，单个同心圆刻槽最宽处为等腰三角形底边，等腰三角形底边与同心圆刻槽所在的表面平齐；所述同心圆刻槽底设置倒角。
16.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述同心圆刻槽底倒角为0.5mm。
17.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述外侧平段的外径为d1，d1＝600～700mm，内径为d2，d2＝540～560，厚度为c1，c1＝25～30mm。所述中间平段的外径为d3，d3＝450～500mm，内径为d4，d4＝350～400mm，厚度为c2，c2＝45～50mm。所述内侧平段外径为d5，d5＝320～350，内径为d6，d6＝250～300mm。
18.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述刻槽深度为h，h＝2～5mm，刻槽宽度为w，w＝2h，刻槽中心距为l1，l1＝2h。
19.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，每个外圈通气孔中心线弧长为35mm，环宽为4h，倒角为4mm。
20.上述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，所述外侧平段、外侧斜面段、中间平段、内侧斜面段、内侧平段的相连处表面倒角过渡。所述外圈通气孔、所述内圈通气孔均为16个；每个外圈通气孔、每个内圈通气孔均设置倒角。
21.用于六氟化硫环境的脉冲功率装置形成线单元，包括形成线内导体、形成线外导体、初级线圈、次级线圈、前绝缘支撑和后绝缘支撑。所述前绝缘支撑和后绝缘支撑均与形成线内导体的轴线垂直，所述外侧平段与形成线外导体连接、所述内侧平段与形成线内导体连接。
22.本发明的有益效果是：
23.一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其外形包络为圆形直板状而非传统的“盆”式，因此具有轴向尺寸短、结构紧凑的特点；
24.一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其被金属加持的位置进行减薄设计并且未被加持的表面刻槽，因此适合六氟化硫气体环境工作。
25.根据气体沿面闪络理论，沿面闪络发生主要基于两个过程：种子电子发射和二次电子倍增；如果这两个任意一个过程被削弱或均被削弱，则沿面闪络难以建立，进而支撑件绝缘水平提高。本发明中，绝缘支撑金属加持位置是种子电子的发射区域，该处电场越大，种子电子发射强度越高；减薄设计使得该处电场显著降低，因此种子电子发射的数目大幅减小。表面刻槽使得绝缘支撑表面电场分布从平滑变得振荡，振荡分布的电场有利于抑制
二次电子的倍增。因此，减薄设计和刻槽设计均会使得气体沿面闪络难以发生，进而绝缘支撑的耐压会大幅提升。
26.采用脉冲功率装置，绝缘支撑与相同直径的盆式绝缘支撑进行耐压与寿命对比考核实验，结果表明：绝缘支撑的耐压与寿命并未减小，甚至有所提升。
附图说明
27.图1是现有安装有盆式绝缘支撑的形成线单元结构示意图；
28.图2是本发明结构示意图；
29.图3是图2中绝缘支撑的俯视图；
30.图4是图2中绝缘支撑的剖面图；
31.图5是图4中a处的放大图；
32.图6是图4中b处的放大图；
33.图7是本发明安装有绝缘支撑的形成线单元结构示意图；
34.图8是绝缘支撑表面不刻槽与刻槽时的电场分布对比；
35.图9是绝缘支撑被加持区域不减薄时的电场分布；
36.图10是绝缘支撑被加持区域减薄时的电场分布。
37.图中：1.前向绝缘支撑；2.后向绝缘支撑；3.形成线内导体；4.形成线外导体；5.初级线圈；6.次级线圈；7.外侧平段；8.外侧平段减薄区域；9.外侧斜面段；10.中间平段；11.外圈通气孔；12.内圈通气孔；13.内侧斜面段；14.内侧平段减薄区域；15.内侧平段；16.不刻槽的绝缘支撑表面的电场分布曲线；17.实施例1绝缘支撑表面的电场分布曲线。
具体实施方式
38.实施例1、2、3
39.一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，为整体结构，圆环形，如图2至图4、图7所示，水平放置时，上表面和下表面对称。自外圆至内圆方向依次为：外侧平段7、外侧斜面段9、中间平段10、内侧斜面段13、内侧平段15，相连处表面倒角过渡，外侧平段7与内侧平段15厚度相等。
40.如图7所示，脉冲功率装置中的前向绝缘支撑1、后向绝缘支撑2均为本发明的绝缘支撑。
41.绝缘支撑材料为高分子聚合物，例如尼龙，有机玻璃，聚酰亚胺。
42.外侧平段7为圆环形，与外侧斜面段9相接，位于绝缘支撑的最外端。
43.外侧平段7的外径为d1，d1＝600～700mm，内径为d2，d2＝540～560，厚度为c1，c1＝25～30mm。
44.外侧平段7还可以设置外侧平段减薄区域8，如图4和图5所示，外侧平段减薄区域8与外侧斜面段9相接，外侧平段减薄区域8为圆环，环宽、厚度均小于外侧平段7。外侧平段减薄区域8与外侧平段7相比，减薄深度为d，d＝0.5～1.5mm，外侧平段减薄区域8的环宽为m1，m1＝10～12mm。
45.中间平段10为圆环形，与外侧斜面段9、内侧斜面段13相接，设置有外圈通气孔11、内圈通气孔12，外圈通气孔11位于内圈通气孔12的外侧。
46.中间段10的外径为d3，d3＝450～500mm，内径为d4，d4＝350～400mm，厚度为c2，c2＝45～50mm。
47.外圈通气孔11、内圈通气孔12分别包括均布的16个扇环形通孔。
48.外圈通气孔11的中心线直径为r2，r2＝430～440mm，每一个扇环形通孔的中心线弧长为l2，l2＝35mm，宽度为l3，l3＝4h，扇环形通孔内设置倒角，倒角为4mm。
49.内圈通气孔12的中心线直径为r3，r3＝410～420mm，每一个扇环形通孔的中心线弧长、宽度、及其倒角与外圈通气孔11的相等。
50.外圈通气孔11、内圈通气孔12共有32个扇环形通孔，通气面积满足通气需求。
51.内侧平段15为圆环形，与内侧斜面段13相接，位于绝缘支撑的最内端。
52.内侧平段15外径为d5，d5＝320～350，内径为d6，d6＝250～300mm。
53.内侧平段15还可以设置内侧平段减薄区域14，如图4、图6所示，内侧平段减薄区域14与内侧斜面段13相接，内侧平段减薄区域14的环宽、厚度均小于内侧平段15，减薄深度与外侧平段减薄区域8的减薄深度相等，内侧平段减薄区域14的环宽为m2，m2＝6～8mm。
54.外侧斜面段9、中间平段10、内侧斜面段13的表面可以为平面，也可以设置刻槽，刻槽为以绝缘支撑的中心线为圆心的同心圆刻槽。
55.单个刻槽的截面为等腰三角形，同心圆刻槽最宽处为等腰三角形底边，等腰三角形底边与同心圆刻槽所在的表面平齐。等腰三角形的高即刻槽深度，刻槽深度为h，h＝2～5mm，等腰三角形底边边长即刻槽宽度，刻槽宽度w为深度的2倍，即w＝2h，刻槽中心距l1亦为深度的2倍，即l1＝2h，刻槽倒角为0.5mm。
56.表1相关参数单位/mm
[0057] 实施例1实施例2实施例3材料尼龙有机玻璃聚酰亚胺d1600700650d2540560550c1253028d1.01.50.5m1101211d3450500480d4350400380c2455048r2430440435l2353535l382012r3410420415d5320350330d6250300280m2687h253
[0058]
绝缘支撑的表面电场分布情况：
[0059]
当绝缘支撑的表面为光滑面，即外侧斜面段9、中间平段10、内侧斜面段13不刻槽时，沿表面包络长度其表面电场分布如图8中的16所示，未出现振荡，表面包络长度即沿直径方向自内向外的表面的长度。当外侧斜面段9、中间平段10、内侧斜面段13刻槽时，在刻槽区域，如实施例1，表面电场分布不再平滑，而是上下振荡，振幅在20～140kv/cm之间，如图8中的17所示。由此可知，表面刻槽能够起到抑制闪络电子倍增的作用。
[0060]
当绝缘支撑的外侧平段7、内侧平段15均为圆环，即不设置外侧平段减薄区域8和内侧平段减薄区域14时，绝缘支撑表面电场分布如图9所示，由图9可知，靠近形成线内导体3的加持位置d点电场为135kv/cm，靠近形成线外导体4的加持位置c点电场为120kv/cm。当绝缘支撑的外侧平段7设置外侧平段减薄区域8、内侧平段15设置内侧平段减薄区域14时，如实施例1，绝缘支撑表面电场分布如图10所示，由图10可知，靠近形成线内导体3的加持位置d点电场为70kv/cm，靠近形成线外导体4的加持位置c点电场为65kv/cm。由此可知，设置减薄区域，加持位置的电场降低了近二分之一，种子电子发射的数目减小，有效抑制了三结合区域闪络的发生。三结合区域即气体、金属、绝缘支撑的结合区域，三结合区域电场降低，种子电子发射的数目减小，有利于抑制沿面闪络的发生。
[0061]
绝缘支撑与盆式绝缘支撑的使用寿命对比：
[0062]
将实施例1的绝缘支撑安装在一台输出功率为5gw源的tesla型脉冲功率装置上，如图7所示，以0.5mpa的六氟化硫sf6气体进行绝缘，采用半高宽30μs的三角波，在50hz、1mv的条件下对该绝缘支撑进行了考核，其寿命为105万个脉冲。同等条件下，盆式绝缘支撑的寿命为100万个脉冲。试验表明：本发明绝缘支撑在六氟化硫环境条件下的使用寿命略有提高，具有可用性。

技术特征：
1.一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，为整体结构，圆环形，上表面和下表面对称，可分为依次相连的外侧平段(7)、外侧斜面段(9)、中间平段(10)、内侧斜面段(13)、内侧平段(15)；所述外侧平段(7)与所述内侧平段(15)的厚度相等，中间平段(10)的厚度大于外侧平段(7)的厚度，外侧斜面段(9)、内侧斜面段(13)的厚度沿直径方向随直径线性变化；所述中间平段(10)设置垂直中间平段(10)表面的多个外圈通气孔(11)、多个内圈通气孔(12)，所述外圈通气孔(11)、所述内圈通气孔(12)为通孔，对称均布；所述外圈通气孔(11)、所述内圈通气孔(12)所在圆环的环宽相等；每个外圈通气孔(11)、每个内圈通气孔(12)均为扇环形，即圆环的一段；每个外圈通气孔(11)、每个内圈通气孔(12)所在扇环的中心圆弧长度相等；所述绝缘支撑材料为高分子聚合物。2.根据权利要求1所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述外侧平段(7)设置外侧平段减薄区域(8)，所述外侧平段减薄区域(8)与所述外侧斜面段(9)相邻；所述外侧平段减薄区域(8)为圆环，环宽、厚度均小于所述外侧平段(7)；所述内侧平段(15)设置内侧平段减薄区域(14)，所述内侧平段减薄区域(14)与所述内侧斜面段(13)相邻。3.根据权利要求2所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述外侧平段减薄区域(8)与外侧平段(7)相比，减薄深度为d，d＝0.5～1.5mm，所述外侧平段减薄区域(8)的环宽为m1，m1＝10～12mm；所述内侧平段减薄区域(14)的减薄深度与所述外侧平段减薄区域(8)的减薄深度相等，所述内侧平段减薄区域(14)所在圆环的环宽与所述外侧平段减薄区域(8)的所在圆环的环宽相等。4.根据权利要求1或2或3所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述外侧斜面段(9)、所述中间平段(10)、所述内侧斜面段(13)的表面还可以设置横截面为等腰三角形的刻槽，所述刻槽为同心圆刻槽，单个同心圆刻槽最宽处为等腰三角形底边，等腰三角形底边与同心圆刻槽所在的表面平齐；所述同心圆刻槽底设置倒角。5.根据权利要求4所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述同心圆刻槽底倒角为0.5mm。6.根据权利要求4所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述外侧平段(7)的外径为d1，d1＝600～700mm，内径为d2，d2＝540～560，厚度为c1，c1＝25～30mm；所述中间平段(10)的外径为d3，d3＝450～500mm，内径为d4，d4＝350～400mm，厚度为c2，c2＝45～50mm；所述内侧平段(15)外径为d5，d5＝320～350，内径为d6，d6＝250～300mm。7.根据权利要求4所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述刻槽深度为h，h＝2～5mm，刻槽宽度为w，w＝2h，刻槽中心距为l1，l1＝2h。8.根据权利要求4所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，每个外圈通气孔(11)中心线弧长为35mm，环宽为4h，倒角为4mm。9.根据权利要求4所述的用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，其特征在于，所述外侧平段(7)、外侧斜面段(9)、中间平段(10)、内侧斜面段(13)、内侧平段(15)的相连处表面倒角过渡；所述外圈通气孔(11)、所述内圈通气孔(12)均为16个；每个外圈通气孔
(11)、每个内圈通气孔(12)均设置倒角。10.用于六氟化硫环境的脉冲功率装置形成线单元，包括形成线内导体(3)、形成线外导体(4)、初级线圈(5)、次级线圈(6)、前绝缘支撑(1)和后绝缘支撑(2)，其特征在于，所述前绝缘支撑(1)和后绝缘支撑(2)均采用权利要求1至9所述的绝缘支撑；所述前绝缘支撑(1)和后绝缘支撑(2)均与形成线内导体(3)的轴线垂直；所述外侧平段(7)与形成线外导体(4)连接、所述内侧平段(15)与形成线内导体(3)连接。

技术总结
本发明涉及一种用于六氟化硫环境的脉冲功率装置绝缘支撑，为整体结构，圆环形，上表面和下表面对称，可分为依次相连的外侧平段、外侧斜面段、中间平段、内侧斜面段、内侧平段。中间平段设置均布的垂直中间平段表面的外圈通气孔、内圈通气孔。绝缘支撑材料为高分子聚合物。外侧斜面段、中间平段、内侧斜面段的表面设置刻槽。外侧平段设置外侧平段减薄区域，内侧平段设置内侧平段减薄区域。本发明还涉及脉冲功率装置形成线单元，包括形成线内导体、形成线外导体、初级线圈、次级线圈、前绝缘支撑和后绝缘支撑。本发明绝缘支撑具有轴向尺寸短、结构紧凑，减薄和刻槽均会使气体沿面闪络难以发生，大幅提升脉冲功率装置绝缘支撑的耐压。大幅提升脉冲功率装置绝缘支撑的耐压。大幅提升脉冲功率装置绝缘支撑的耐压。


技术研发人员：赵亮 苏建仓 李锐 程杰 曾搏
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/23