21脉冲功率储能技术电容器PPT课件
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7
电容器的寿命
电容器的使用寿命与相对于额定电压的充电率和充电电压 的极性反转有直接关系。
脉冲功率应用 中要求电容器的充 放电大于108，为了 达到这个要求，通 常要限制电容器的 充电电压，使其低 于额定电压。
8
电容器的寿命
极性反转，如果电荷从金属阴极注入到绝缘介质中，那么 在电压反转时空间电荷会起到增强电场的作用。一量局部电场 超过击穿场强，便会对电容器绝缘材料造成破坏。
9
电容器故障的三个原因
边缘绝缘带附件的沿面放电 介质中空隙或杂质的击穿 压接接头或其它部位
的电弧放电
自愈式电容器
10
电容储能
高压脉冲电容器：内感尽可能地小，能 够多次重复短路放电。2kJ/kg 双电层电容器储能密度达30kJ/kg 电容器串并联 蓄电池电容器组合 经典marx发生器 新型marx发生器（高效能，电感隔离型） L-C倍压器
0.15J/cm3，单只电容器（KJ量级）的总电感 可低达10-30nH。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
“自愈式”电容器，采用镀有金属薄膜
（0.1um量级）的有机薄膜或电容器纸在超净 条件下紧密卷绕制成，无需油浸，储能密度
达到1J/cm3量级。
30
自愈：自愈式电容器发生局部放电而导致绝 缘击穿时，绝缘膜两侧放电通道附近很薄的 金属膜可以被放电电流气化，从而使绝缘得 到恢复，只伴随微小的电容损失。
恒功率充电
转换技术：对一般容量电容器组放电，通常采用三电极球 隙开关。为了减小触发的分散性和开关电感，提高击穿场强， 一般将球隙形状置于充气的压力容器内，电极材料采用石墨或 铜钨合金。
对于MJ的电容器组，采用多个开关并联，减小烧蚀和增加 开关寿命，减小放电回路电感和电阻，有利于实施电容器保护。 但大量的开关给严格同步带来很多困难。
第2章 脉冲功率储能技术
脉冲功率中能量储存的要求：
高能量密度 高耐压强度 高放电电流 长存储时间（低能量泄漏） 高充电与放电效率 高功率倍增（放电输出功率/充电输入功率） 高重复频率和长使用寿命 低成本
根据系统的实际需要和环境的限制进行折衷。
1
储能方法
电容储能 电感储能 机械储能 化学能储能
他决定输出电流的
最大值，
IP=U(C/L)1/2
5
电容量和漏电阻与温度、电压、湿度以及存储 时间有关。环氧树脂和聚酯薄膜的介电常数随温度 变化更大。
6
电容器的耐压强度不仅与绝缘介质的击穿电压决定，还受 形状、面积、连接部位的材料以及他们与绝缘材料的吻合性等 因素有关。耐压强度还受使用条件的限制，如温度、压力、湿 度和电压极性反转等的影响。
18
电容器组放电技术要点
保护：如果已充电的电容器中某台电容器内部绝 缘被击穿，储存在其它的电容器的能量势必在极短的 时间内释放给这台故障电容器，发生爆炸事故。必须 对电容器采取相应的保护措施。 电阻保护 熔丝保护
19
电容器组放电技术要点
充电：对小容量电容器组，通常采用整流电源恒压充电。 对于几MJ储能的电容器组，使用恒压方法充电将导致充电时间 过长。采用恒流充电，可以把充电时间缩短几倍。
电动力：由于运行电流可达100MA，在导线间产生极向的 电动力。这种力随导线间距离的减小而增大，但距离减小时电 感也减小。
在这个矛盾下，首先应当满足减少回路电感的要求，然后 再考虑加固导线的机械强度防止物电动力的破坏。 传输线应具备：
较小的电感和电阻，或较低的波阻抗； 能承受较大的电动力； 连接点有很好的接触，以减少接触电阻； 足够的绝缘强度。
11
12
电容器组放电
电容器组脉冲放电装置非常简单，但用途却非常 广泛。
受控热核聚变，等离子体箍缩，等离子体焦点， 脉冲强磁场。
电磁推进，电爆炸导体，电磁成形，电磁冲击模 拟，液电爆炸，飞行器除冰等。
13
电容器组放电脉冲电路
线性负载放电条件
14
15
放电电流与a的关系
(1)脉冲电流的幅值Im均与电容储能W和电感值有关。若增 大Im，减小电感L，增大电压U0或增大电容C。
自愈式电容器目前还很难在有较大的电 流、反峰或上升电流率的情况下使用，耐受 大冲击振荡电流的能力较油浸式电容器弱很 多。
31
火花开关
两电极开关：简单的气体火花开关是一种两电极放电 部件，它利用绝缘容器在电极之间充压缩气体（空 气、氮气、六氟化硫等）以提高工作电压，甚至直 接暴露于大气中，开关先承受一定的高电压而呈现 绝缘（高阻抗）状态，然后气体击穿形成等离子体 传导通道而接通电路。
20
高电压发生器
21
双边充电Marx 发生器
22
其他几种Marx 发生器结构形式
23
24
25
26
27
28
Marx发生器的部件
• 电容器 • 火花开关 • 电阻 • 连接导体 • 触发方式 • 变压器油 • 绝缘
29
电容器
• 电容器
合成油浸渍聚丙烯薄膜绝缘型电容器，它
具有较好的耐冲击电流性能，其储能密度达
(2)回路电流幅值Im与放电回路电阻R有关。R减小，可以 使U0/R增大。
(3)电流上升率Ldi/dt=U0。
16
电容器组放电技术要点
减小回路电感：如果满足脉冲功率技术中电流上升 陡度大的要求，应当减小回路电感。 低感电容器 在结构上采取合理措施。
电容器并联 圆形对称排列，引线电缆长度相等。
17
电容器组放电技术要点
三电极开关：在两电极开关的基础上，增加触发极， 可以接收指令触发击穿，获得较好的同步或关联工 作性能。
32
33
火花开关
气体火花开关还可以利用激光、X光、电子束等进行触发， Marx发生器的气体火花开关通常都是电触发的。
气体火花开关可以说是Marx发生器中最为关键的部件。基 本要求是电感小、性能稳定、寿命长。
性能稳定分静态稳定和动态稳定。 静态性能稳定是指开关在耐受直流高压期间不易发生自 放电，并且击穿特性（击穿电压和工作气体压强及间隙长度 的关系）不易随放电次数的增加而发生明显变化。 动态性能稳定指开关在触发脉冲或瞬态过电压（高于直 流击穿电压的瞬态）作用下击穿时具有足够小的击穿延迟时 间分散性。
2
几种储能技术比较
3
脉冲电容器
利用电场储能
电容 C 储能 W=（1/2）CU2 U 充电电压
C=εε0A/d
电容量与面积A 和ε成正比
与介质的厚度成
反比
4
电容器集中参数电路模型
串联电阻Rs 0.1欧 姆量级
来自于导线，接片， 电极
并联电阻R
穿过绝缘介质和沿材 料表面的电流泄漏
电感L 依赖于电
容器内部结构，但
电容器的寿命
电容器的使用寿命与相对于额定电压的充电率和充电电压 的极性反转有直接关系。
脉冲功率应用 中要求电容器的充 放电大于108，为了 达到这个要求，通 常要限制电容器的 充电电压，使其低 于额定电压。
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电容器的寿命
极性反转，如果电荷从金属阴极注入到绝缘介质中，那么 在电压反转时空间电荷会起到增强电场的作用。一量局部电场 超过击穿场强，便会对电容器绝缘材料造成破坏。
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电容器故障的三个原因
边缘绝缘带附件的沿面放电 介质中空隙或杂质的击穿 压接接头或其它部位
的电弧放电
自愈式电容器
10
电容储能
高压脉冲电容器：内感尽可能地小，能 够多次重复短路放电。2kJ/kg 双电层电容器储能密度达30kJ/kg 电容器串并联 蓄电池电容器组合 经典marx发生器 新型marx发生器（高效能，电感隔离型） L-C倍压器
0.15J/cm3，单只电容器（KJ量级）的总电感 可低达10-30nH。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
“自愈式”电容器，采用镀有金属薄膜
（0.1um量级）的有机薄膜或电容器纸在超净 条件下紧密卷绕制成，无需油浸，储能密度
达到1J/cm3量级。
30
自愈：自愈式电容器发生局部放电而导致绝 缘击穿时，绝缘膜两侧放电通道附近很薄的 金属膜可以被放电电流气化，从而使绝缘得 到恢复，只伴随微小的电容损失。
恒功率充电
转换技术：对一般容量电容器组放电，通常采用三电极球 隙开关。为了减小触发的分散性和开关电感，提高击穿场强， 一般将球隙形状置于充气的压力容器内，电极材料采用石墨或 铜钨合金。
对于MJ的电容器组，采用多个开关并联，减小烧蚀和增加 开关寿命，减小放电回路电感和电阻，有利于实施电容器保护。 但大量的开关给严格同步带来很多困难。
第2章 脉冲功率储能技术
脉冲功率中能量储存的要求：
高能量密度 高耐压强度 高放电电流 长存储时间（低能量泄漏） 高充电与放电效率 高功率倍增（放电输出功率/充电输入功率） 高重复频率和长使用寿命 低成本
根据系统的实际需要和环境的限制进行折衷。
1
储能方法
电容储能 电感储能 机械储能 化学能储能
他决定输出电流的
最大值，
IP=U(C/L)1/2
5
电容量和漏电阻与温度、电压、湿度以及存储 时间有关。环氧树脂和聚酯薄膜的介电常数随温度 变化更大。
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电容器的耐压强度不仅与绝缘介质的击穿电压决定，还受 形状、面积、连接部位的材料以及他们与绝缘材料的吻合性等 因素有关。耐压强度还受使用条件的限制，如温度、压力、湿 度和电压极性反转等的影响。
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电容器组放电技术要点
保护：如果已充电的电容器中某台电容器内部绝 缘被击穿，储存在其它的电容器的能量势必在极短的 时间内释放给这台故障电容器，发生爆炸事故。必须 对电容器采取相应的保护措施。 电阻保护 熔丝保护
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电容器组放电技术要点
充电：对小容量电容器组，通常采用整流电源恒压充电。 对于几MJ储能的电容器组，使用恒压方法充电将导致充电时间 过长。采用恒流充电，可以把充电时间缩短几倍。
电动力：由于运行电流可达100MA，在导线间产生极向的 电动力。这种力随导线间距离的减小而增大，但距离减小时电 感也减小。
在这个矛盾下，首先应当满足减少回路电感的要求，然后 再考虑加固导线的机械强度防止物电动力的破坏。 传输线应具备：
较小的电感和电阻，或较低的波阻抗； 能承受较大的电动力； 连接点有很好的接触，以减少接触电阻； 足够的绝缘强度。
11
12
电容器组放电
电容器组脉冲放电装置非常简单，但用途却非常 广泛。
受控热核聚变，等离子体箍缩，等离子体焦点， 脉冲强磁场。
电磁推进，电爆炸导体，电磁成形，电磁冲击模 拟，液电爆炸，飞行器除冰等。
13
电容器组放电脉冲电路
线性负载放电条件
14
15
放电电流与a的关系
(1)脉冲电流的幅值Im均与电容储能W和电感值有关。若增 大Im，减小电感L，增大电压U0或增大电容C。
自愈式电容器目前还很难在有较大的电 流、反峰或上升电流率的情况下使用，耐受 大冲击振荡电流的能力较油浸式电容器弱很 多。
31
火花开关
两电极开关：简单的气体火花开关是一种两电极放电 部件，它利用绝缘容器在电极之间充压缩气体（空 气、氮气、六氟化硫等）以提高工作电压，甚至直 接暴露于大气中，开关先承受一定的高电压而呈现 绝缘（高阻抗）状态，然后气体击穿形成等离子体 传导通道而接通电路。
20
高电压发生器
21
双边充电Marx 发生器
22
其他几种Marx 发生器结构形式
23
24
25
26
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28
Marx发生器的部件
• 电容器 • 火花开关 • 电阻 • 连接导体 • 触发方式 • 变压器油 • 绝缘
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电容器
• 电容器
合成油浸渍聚丙烯薄膜绝缘型电容器，它
具有较好的耐冲击电流性能，其储能密度达
(2)回路电流幅值Im与放电回路电阻R有关。R减小，可以 使U0/R增大。
(3)电流上升率Ldi/dt=U0。
16
电容器组放电技术要点
减小回路电感：如果满足脉冲功率技术中电流上升 陡度大的要求，应当减小回路电感。 低感电容器 在结构上采取合理措施。
电容器并联 圆形对称排列，引线电缆长度相等。
17
电容器组放电技术要点
三电极开关：在两电极开关的基础上，增加触发极， 可以接收指令触发击穿，获得较好的同步或关联工 作性能。
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33
火花开关
气体火花开关还可以利用激光、X光、电子束等进行触发， Marx发生器的气体火花开关通常都是电触发的。
气体火花开关可以说是Marx发生器中最为关键的部件。基 本要求是电感小、性能稳定、寿命长。
性能稳定分静态稳定和动态稳定。 静态性能稳定是指开关在耐受直流高压期间不易发生自 放电，并且击穿特性（击穿电压和工作气体压强及间隙长度 的关系）不易随放电次数的增加而发生明显变化。 动态性能稳定指开关在触发脉冲或瞬态过电压（高于直 流击穿电压的瞬态）作用下击穿时具有足够小的击穿延迟时 间分散性。
2
几种储能技术比较
3
脉冲电容器
利用电场储能
电容 C 储能 W=（1/2）CU2 U 充电电压
C=εε0A/d
电容量与面积A 和ε成正比
与介质的厚度成
反比
4
电容器集中参数电路模型
串联电阻Rs 0.1欧 姆量级
来自于导线，接片， 电极
并联电阻R
穿过绝缘介质和沿材 料表面的电流泄漏
电感L 依赖于电
容器内部结构，但