纳秒脉冲下同轴内电极直径改变时闪络特性分析

在纳秒脉冲同轴电场下,尼龙1010和有机玻璃的闪络电压都随着内电极直径非线性增长,趋于饱和,且内电极直径越大,两者的闪络电压越接近.纳秒脉冲下沿面闪络特性与固体-液体-电极三结合点处的场强及沿面电位分布梯度紧密相关,内电极直径越大,三结合点处场强越低且沿面电位分布越均匀,引起沿面闪络电压越高.对于纳秒脉冲下的同轴电极,当内外电极半径差远大于内电极直径时,内电极直径变化对闪络电压的影响被弱化.     

液氮中微秒级脉冲下的沿面闪络特性

液氮环境中绝缘材料的沿面闪络对超导电力设备外绝缘设计至关重要,为了揭示液氮环境中沿面闪络的发展过程,并研究有效提高超导电力设备外绝缘爬电距离的方法,通过实验对不同直径的圆柱形、不同倾角的圆台形聚四氟乙烯试品在液氮中微妙级负脉冲电压作用下的沿面闪络电压进行了测量,结果发现圆柱形试品随直径增加,沿面闪络电压下降;圆台形试品在θ=-45°时闪络电压最高,θ=0°时闪络电压最低.通过与真空、绝缘油中沿面闪络的数据比较以及仿真计算,认为液氮中的沿面闪络与变压器和绝缘油中有相似的闪络机制,沿面闪络是在气化的闪络通道内完成的.实验的结果也为超导电力设备外绝缘设计提供了有益的方法.     

纳秒脉冲下真空绝缘沿面闪络特性实验研究

通过实验研究了纳秒脉冲(10/30 ns)下,真空绝缘沿面闪络电压随圆台形绝缘体锥角、圆柱形绝缘体截面直径、实验气压以及电极材料等物理因素的变化趋势,结果表明圆台形绝缘体锥角变化对闪络电压影响非常明显;厚度相同的圆柱形绝缘体闪络电压随截面直径的增大而降低,且直径越小,变化幅度越大;当气压处于高真空范围,即10-5~10-1Pa时,气压变化对闪络电压不构成影响;高真空条件下不同电极材料对闪络电压无影响。并在系统分析实验结果的基础上,提出了真空绝缘结构设计原则。     

脉冲电压下尼龙的激光触发沿面闪络特性

为研究脉冲电压下的激光触发沿面闪络特性,在试验系统中建立了精确的激光触发沿面闪络试验系统,解决了激光脉冲与试品上所加脉冲电压的同步问题,在此基础上应用平板电极和柱状尼龙绝缘材料进行了激光触发沿面闪络试验。试验中采用60 mm直径的铜材料平板电极,试品为20 mm直径、6、8、10 mm厚的尼龙材料圆柱绝缘材料,试验中激光波长为10645、32 nm并聚焦成2 mm×30 mm的长方形光斑,得到在不同的激光能量密度及施加电压下的闪络时延和抖动时间,并探讨了激光触发沿面闪络的机理。研究表明:激光能量密度越大、施加电压越高,闪络时延和抖动时间越小。     

聚四氟乙烯直流沿面闪络及表面特性的实验研究

为提高绝缘材料的耐沿面闪络能力,对聚四氟乙烯在指形电极下的沿面绝缘特性及沿面闪络前后材料表面的物化特性进行研究。测量了不同放电距离下的沿面闪络电压,并采用原子力显微镜和X射线光电子能谱仪分析闪络前后聚四氟乙烯表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分的变化。结果表明:随着电极间距的增大,沿面闪络电压升高,闪络场强降低;随着闪络时间的增长,材料表面的凸起变大、变平,表面粗糙度增大,表面发生显著的物理变化;在沿面闪络过程中,材料表面化学基团发生变化,表面水接触角下降。     

铜微粒对环氧树脂直流沿面闪络特性的影响

高压直流断路器的触头在频繁分合闸过程中会由于电弧烧蚀和机械磨损等原因而产生铜微粒,铜微粒会沉积在断路器断口环氧树脂表面,并显著降低其沿面绝缘性能。针对上述问题,搭建了试验平台,研究了直流电场下铜微粒粒径和位置对环氧树脂沿面闪络电压的影响规律;基于COMSOL Multiphysics建立了环氧树脂非平衡态等离子体沿面闪络模型,分析了铜微粒粒径和位置对沿面闪络电压的影响机制。研究结果表明:附着铜微粒会显著降低环氧树脂沿面闪络电压,铜微粒紧贴高压电极表面时,沿面闪络电压随铜微粒粒径的增加而下降;铜微粒位置亦会对环氧树脂沿面闪络电压产生影响,铜微粒与电极间距越小,沿面闪络电压下降就越明显;铜微粒粒径和位置的变化改变了初始放电发生过程和正负流注头部最大电场强度,进而改变了环氧树脂沿面闪络电压。上述研究结果可为解决高压直流断路器中铜微粒引起的沿面闪络问题提供参考。     

平行平板型真空沿面闪络实验系统的放电诊断

为了研究真空沿面闪络实验结果的有效性问题,搭建了1套MHz猝发多脉冲平行平板型真空沿面闪络实验平台。利用示波器记录的电压信号、像普通电荷耦合元件(CCD)和像增强型电荷耦合元件(ICCD)相机记录的光学图像、绝缘体表面放电痕迹、电极表面放电痕迹等信息,对实验系统的高压放电现象进行了综合诊断并对实验系统进行了调试。诊断和调试结果表明:该实验系统在高压运行时除了有绝缘子沿面闪络外,还有绝缘隔板放电、水电阻表面放电、绝缘子体击穿和真空电极击穿等放电现象,这些放电现象用某单一的诊断信息来判断是不容易区分的;改进后的沿面闪络实验系统在圆台形绝缘子实验中仍然有9%的几率发生真空电极击穿。分析认为这是由于在击穿场强较高的沿面闪络实验系统中,真空电极击穿场强与绝缘子的沿面闪络击穿场强处于同一数量级所致,这是击穿场强较高的沿面闪络实验系统中存在的普遍问题。综合各种诊断信息,确认沿面闪络实验结果的有效性对于沿面闪络实验研究是十分必要的。     

快脉冲同轴场下间距变化的闪络分析

在纳秒脉冲同轴电场下,尼龙1010的闪络电压随着内、外电极半径差近似线性增长,且外加脉冲陡度越大,其闪络电压越高.纳秒脉冲下的沿面闪络特性与固体-液体-电极三结合点 处的场强及沿面电位梯度分布紧密相关,内、外电极半径差越大,虽然三结合点处场强提高程度 越严重,沿面电位分布越不均匀,但是内电极表面场强急剧降低,综合导致沿...     

纳秒脉冲圆台形绝缘体真空沿面闪络特性实验研究

实验研究了纳秒脉冲(10／30ns)下圆台形绝缘体真空绝缘沿面闪络特性,结果表明锥角变化对闪络电压影响显著,45°锥角时闪络电压最高。与圆柱形绝缘体相比,脉冲电压下,±45°圆台形绝缘体闪络电压增幅较大,且脉宽越窄,增幅越大;直流和交流电压波形下,圆台形闪络电压增幅较小。分析认为,45°锥角时阴极三结合点处电场减弱幅度最大,初始场致发射电子数量受到抑制,电子沿绝缘体表面的倍增过程较难实现。预闪络期间直流、交流电压下正离子有时间积累起足够多的能量参与碰撞电离。而纳秒脉冲闪络过程中正离子数纳秒时间内积累起的能量非常有限,作用忽略不计。闪络电压与电压随时间的上升速率有关,纳秒脉冲电压上升速率极快,对应放电时延的电压增幅较大,因此纳秒脉冲闪络电压高于其它电压波形。     

直流电压分量对交直流叠加电压下油纸绝缘沿面闪络的影响

为了更加深入地了解换流变压器中交直流叠加电压下油纸绝缘的沿面闪络问题,通过搭建直流电压分量可以任意调节的交直流叠加电源系统,研究了具有背面电极和不具有背面电极这2种结构下油纸绝缘的沿面闪络问题。试验结果表明:在复合电场下,有背面电极时,沿面闪络电压比无背面电极时稍低;在2种结构下,沿面闪络电压均表现为纯交流电压时最低,随着直流电压分量的增加,沿面闪络电压也逐渐增加。此外为分析油纸绝缘界面的影响,还研究了相同电极结构下纯油的击穿电压。对比分析纯油的击穿电压和油纸绝缘的沿面闪络电压后发现:直流电压分量较低时,油纸绝缘界面的存在降低了该结构的击穿电压;而直流电压分量较高时,油纸绝缘界面的存在反而稍微提高了该结构的击穿电压。最后从复合电场分布的特点出发,分析了不同直流电压分量下油纸绝缘的沿面闪络过程。分析后认为:直流电压分量较小时,电极附近电场强度较高,导致油易于电离并产生大量载流子,从而促进了油纸沿面闪络的发展;而随着直流电压分量的变大,电场分布将变得不同,其沿面闪络电压升高;同时,上述电场分布的特点也是造成直流电压分量较低时沿面闪络电压低于纯油击穿电压的原因。     

Load Section Design of a Pulsed Power Generator for X-pinch

The load section of a pulsed power generator for X-pinch was designed. It is a work that repeats itself in cycles as follows: making small changes in size and configuration of the electrode system in order to reduce inductance rarr calculating the inductance rarr calculating the load voltage with the measured forward going voltage wave along the pulse transmission line (PTL) incident upon the load rarr calculating the electric field rarr checking if any surface flashover or breakdown in vacuum happens. In the final designed load section, the highest field on the surface of the insulator, a plexiglass diaphragm, is 113 kV/cm and the highest field in vacuum is 298 kV/cm, respectively lower than the surface flashover voltage and the vacuum breakdown voltage in case of an applied pulse voltage of 100 ns of full width at half maximum (FWHIVI) and 500 kV in amplitude.     

弯曲电极结构对真空中氧化铝陶瓷沿面闪络耐压的影响

氧化铝陶瓷以其良好的绝缘性能广泛应用于高压真空器件,起到绝缘和支撑作用,但氧化铝陶瓷的沿面闪络现象严重制约了其耐压性能。分析了阴极金属-陶瓷-真空三结合处电场局部增强的原因,对阴极金属电极结构对柱状氧化铝陶瓷三结合处电场分布影响进行了仿真和单次脉冲耐压试验研究,给出了不同电极情况下,氧化铝陶瓷的耐压结果。结果表明,弯曲电极结构能有效减弱氧化铝陶瓷三结合处的电场强度,并且随着金属电极弯曲长度的增加而明显减小;相对于平板电极,弯曲电极的平均最高耐压提高了45%。     

Experimental investigation of surface flashover in vacuum using nanosecond pulses

Based on a Marx generator and a coaxial pulse forming line, an experimental investigation of surface flashover characteristics in vacuum is conducted by using nanosecond pulses of 10 ns rise time and 30 ns full width at half maximum (FWHM). Insulator dielectrics chosen for this investigation are Teflon, PMMA and Nylon. The tested factors include gas pressure, cone angle of conical frustum, diameter and length of cylindrical insulator, material and shape of electrode, and contact style between insulator and electrodes. The effects of these parameters on the surface flashover characteristics are described and analyzed in this paper. In addition, the character of flashover time lag in the nanosecond range, and surface flashover theory in vacuum charged by nanosecond pulses are also discussed.     

真空中高压电极结构的单次脉冲沿面闪络耐压研究

电极作为高压绝缘子的加载对象,在电真空器件中有着至关重要的作用,合理的电极结构设计可以有效地提高高压器件的沿面耐压。笔者从实际的应用出发,针对几种新型电极结构进行了电场仿真和实验耐压实验,给出了不同电极情况下,氧化铝陶瓷的耐压结果。结果表明,新型电极结构能有效减弱氧化铝陶瓷三结合处的电场强度,并在一定程度上提高绝缘子耐压能力,相对于平板电极,其平均最高耐压提高了55%。     

Influence of wave front steepness and accumulated charge on creeping discharge

The creeping flashover voltage–time characteristics for the composite insulating configuration by insertion of a barrier between a needle electrode and a plane electrode in N₂ gas have been investigated. A maximum creeping flashover voltage of around 10 µs has been found in N₂ gas for negative polarity. This anomalous voltage–time characteristic is associated with the low field relaxation effect of the accumulated charges on the barrier for an applied pulse voltage with a highly steep wave front. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 146(1): 1–8, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10249     

采用光学方法研究陶瓷绝缘材料的沿面闪络特性

对比研究了真空中交流电压下采用和未采用真空溅射金属电极的氧化铝陶瓷材料,在沿面闪络发生前不同的表面发光特性。基于固体的能带理论,提出了２类试品在金属电极－介质的界面处不同的能量状态分布模型;并在此基础上同时考虑电荷注入复合和场致电子发射对发光的影响,解释了２类试品发光的差异性,指出了采用和未采用真空溅射金属电极的氧化铝陶瓷存在不同的沿面闪络起始机理及发展过程。     

Dielectric surface flashover in vacuum. Experimental design issues

In order to determine the influence of intrinsic material properties of dielectric materials on high field surface flashover characteristics in vacuum, it is important that we minimize or eliminate the influence of the experimental test structure on the high field processes. In this paper we shall examine the flashover characteristics of polycrystalline alumina insulators, using a lateral test structure similar to the one used in semiconductor devices. A significant improvement in surface flashover strengths (~200%) was found using a metalized contact electrode system compared with a classical solid electrode system. The results indicate that, using a metalized film cathode, the scatter in the flashover data is significantly reduced compared with the solid electrode system, implying that the electron-dielectric interaction processes that lead to flashover occur in a more predictable fashion. The new metal contact electrode system reveals the dependence of flashover strength on the surface preparation and the grain size of the dielectric material. The average flashover strength increases and the scatter in the flashover data decrease with a decrease in the average grain size of the particles composing the alumina ceramic. Thus the surface flashover processes in vacuum are related to the dielectric surface microstructure, specifically the surface and sub-surface microdamage and grain-boundary defects     

Characteristics of N2/SF6 mixture gas in creeping discharge developing in narrow gap with backside electrode

The flashover voltage with a backside electrode was found to be lower than that without the backside electrode. Under microsecond pulse voltage application, we describe the characteristics of a creeping discharge developed in the narrow gap with the backside electrode. Using a CCD camera and ultrahigh‐speed camera, we observed the corona extension processes. The lowest flashover voltage was found to be obtained at positive polarity with a SF₆ content D = 3%. In the corona extension obtained using an ultrahigh‐speed camera, peculiar differences were observed in the corona extension process. The corona extension increased, and rapid flashover was observed at D = 3%. Using a CCD camera, small coronas were detected from the backside electrode. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 158(2): 31–38, 2007; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20431     

高功率二极管真空绝缘结构设计与实验

介绍了二极管真空绝缘中真空沿面闪络理论、绝缘结构设计要点以及沿面闪络域值估算方法,提出二极管结构优化设计的思路和方法,通过数值计算对一种高功率二极管真空绝缘设计进行了优化,一方面降低了三相点的电场强度和绝缘体沿面电场强度,另一方面提高了绝缘体表面的沿面击穿场强,从而大大改善了二极管绝缘体的绝缘性能,延长其使用寿命。实验结果表明优化后的二极管绝缘结构满足设计指标,在正常工作电压下未发生击穿现象。     

二极管的径向绝缘设计及阴极特性研究

介绍了二极管真空绝缘中真空沿面闪络的理论、绝缘结构设计的要点以及沿面闪络域值的估算方法,提出了二极管结构优化设计的思路和方法,通过数值计算对二极管的径向绝缘结构进行了设计优化,一方面降低了三相点的电场强度和绝缘体沿面电场强度,另一方面提高了绝缘体表面的沿面击穿场强。实验结果表明,优化后的二极管绝缘结构满足设计指标,在正常工作电压下未发生击穿现象,并进一步对天鹅绒阴极二极管发射电流的幅值特性和脉宽特性进行了初步研究。