Blumlein主放电开关中绝缘结构对沿面闪络电压的影响北大核心CSCD

Blumlein主放电开关作为关键部件被大量地应用于强流电子直线感应加速器等大型脉冲功率装置中,其中绝缘子在主开关中起隔离水或油与气体的作用。设备在高电压脉冲下长时间或高频次作用时,绝缘子气体侧会出现沿面闪络现象,严重影响直线感应加速器的可靠运行。对Blumlein主放电开关中的绝缘结构进行了电场仿真计算,通过对绝缘子的几何结构和电极形状的优化设计,有效调控了绝缘子表面和电极表面的电场分布,试制了不同构型的绝缘子,开展了在标准雷电波脉冲条件下的沿面闪络研究。研究结果表明,优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%。     

一种重复脉冲同轴馈电型陶瓷真空界面

真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节,对于重频运行的系统,该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构,该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式;通过采取均压、屏蔽措施,静电场模拟结果显示,陶瓷沿面电场分布均匀,总场强小于100 kV/cm,沿面分量小于70 kV/cm,阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm;在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,运行稳定;采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析,置信度取为0.9时,陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后,还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响,实验发现,增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。     

电极熔蚀导致的气体开关绝缘子性能劣化

气体开关导通时,电极材料熔融或汽化并从电极表面移出,导致开关绝缘子被染污,并可能诱发开关内绝缘闪络事故,直接影响气体开关寿命和脉冲功率系统稳定性。在开关内嵌入有机玻璃圆环,收集黄铜电极熔蚀产物,并研究其对开关绝缘子表面形貌和沿面绝缘强度的影响。实验结果表明,电极熔蚀会产生大量金属蒸汽和溅射液滴,且熔蚀产物具有明显的轴向分布特性,其中,金属蒸汽冷凝并附着在绝缘子表面,形成细微的金属粉末;溅射液滴轰击绝缘子表面,在局部区域形成密集的表面裂纹和金属颗粒嵌入物。在两种电极熔蚀产物的共同作用下,开关绝缘子表面绝缘电阻下降,闪络场强降低;同时,绝缘子表面轴向不同区域的绝缘电阻差别很大,引起绝缘子表面电压分布不均和局部电场增强,最终导致开关绝缘子闪络电压降低,闪络概率增大。     

强流电子束二极管陶瓷真空界面

从绝缘和机械强度两方面优化设计了一种应用于强流电子束二极管的陶瓷真空界面。首先,依据真空沿面闪络机理及其影响因素,针对外径220mm的陶瓷板,应用ANSYS静电场模拟,通过对阴极电极形状和阳极外壳尺寸的调整,使得陶瓷沿面电场和阴、阳极三结合点场强均得到了有效控制。模拟结果显示:陶瓷沿面电场分布均匀,阴、阳极三结合点场强小于30kV/cm,电场线与陶瓷表面所成角度基本保持在45°;其次,针对陶瓷与电极的约束结构,通过静力和瞬态冲击分析,确定了该陶瓷界面可承受的最大静压和冲击波最大峰压分别为4.8MPa和60MPa;最后,在脉宽200ns的脉冲功率驱动源上进行了实验研究,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44kV/cm,二极管运行稳定,机械性能可靠,实验结果与理论设计相符。     

纳秒脉冲下高气压SF6中同轴绝缘子沿面闪络影响因素实验研究

研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络影响因素对电磁脉冲模拟装置绝缘结构设计具有重要的借鉴意义。通过搭建绝缘子沿面闪络实验平台,实验研究了在0.5 MPa的SF6气体中,脉冲电压波形、绝缘材料和绝缘子沿面场强分布对绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明：绝缘子的闪络电压具有随着脉冲前沿时间减小而增加的趋势;相较于脉冲电压全波,绝缘子在脉冲电压前沿波形耐受下闪络电压较高;聚酰亚胺材料的绝缘性能最好;通过降低绝缘子沿面最大场强,改善电场分布可以有效地提高绝缘子的闪络电压。     

真空中A-B-A绝缘结构的电场分析

提出了一种变插入层电导率和介电常数的三层(A-B-A)绝缘结构。分析了插入层(A)电导率和介电常数对三层绝缘结构真空-绝缘子-阴极三结合点处和真空-插入层绝缘子(A)-主绝缘子(B)三结合点处电场的影响,结果发现通过控制插入层电导率和介电常数可以有效降低真空-绝缘子-阴极三结合点处的电场又不至于使真空-插入层绝缘子-主绝缘子三结合点处电场过高。考虑了介质表面带电的情况,分析插入层介质表面带不同极性电荷对真空-绝缘子-阴极和真空-插入层绝缘子-主绝缘子两个三结合点电场分布的影响。估计了三层绝缘结构真空沿面闪络电压的变化趋势,发现在插入层电导率或介电常数不断增大时,真空沿面闪络电压会呈现先上升后下降,最后趋于稳定。     

氢氧化铝/环氧树脂复合材料的电荷衰减特性北大核心CSCD

环氧树脂电气绝缘性能优良,但是其在脉冲功率设备中充当绝缘子时,表面容易带电且不易衰减,当表面电荷集聚到一定的程度会造成局部放电甚至发展为沿面闪络。为了提高环氧树脂的沿面闪络性能,用中心粒径为1μm的氢氧化铝(ATH)无机填料来改善环氧树脂复合材料的表面性能。分别制备了ATH填料质量分数为0%(纯环氧),20%,40%,60%,80%和100%的ATH/环氧树脂复合材料试样。用电声脉冲法研究了ATH填料对环氧树脂复合材料电荷衰减性能的影响,对比了试样直流极化场强为10kV/mm和30kV/mm的试验结果。结果表明:ATH/环氧树脂复合材料电荷的衰减常数不仅与填料的质量分数有关,而且与试样的带电量有关。     

高梯度绝缘子的实验研究与性能分析

为解决脉冲功率系统中绝缘部件的真空沿面闪络问题,开发了基于二次电子崩理论的层叠式高梯度绝缘材料。利用全金属超高真空分析系统,对高梯度绝缘子的真空出气特性进行检测;利用四极质谱仪,对高梯度绝缘子真空出气的气体成分进行分析。利用阻抗分析仪测试不同结构绝缘材料的高频介电性能。基于纳秒脉冲真空实验平台,对高梯度绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。研究结果表明:高梯度绝缘子具有良好的高频介电性能,其拐点频率高达200 MHz;锻炼后高梯度绝缘子的闪络场强可达190 kV/cm,其闪络性能和高梯度绝缘结构中绝缘层的材料及绝缘层与金属层的比例直接相关。     

圆形平板电极与薄膜层叠结构的沿面闪络性能

强电磁脉冲模拟装置中用于脉冲压缩的陡化电容器常采用电极与薄膜介质层叠的结构，其主要绝缘失效模式为沿面闪络。采用圆形平板电极，在SF₆绝缘环境中和加载电压为前沿约30 ns的纳秒脉冲电压的条件下，实验研究了陡化电容器关键结构参数和气压对沿面闪络性能的影响。结果表明:（1）电极厚度、气隙和表面涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络电压；（2）气压可以提高层叠结构的沿面闪络性能，但是存在饱和趋势；（3）薄膜介质层数与沿面闪络电压近似线性比例关系；（4）增长薄膜介质伸出长度能显著提高沿面闪络电压。基于流注理论对上述结果进行了探讨，认为极不均匀场中，闪络起始主要由高场强区域决定，但是闪络通道的形成和发展主要由闪络路径上的背景电场决定，因此减小层叠结构三结合点处电场对闪络性能影响不大，但减小闪络通道发展路径上的背景电场，可以有效提高层叠结构的沿面闪络电压。     

环氧树脂的等离子体表面梯度刻蚀及沿面闪络性能研究

结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法,实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析(XPS)、高阻计、闪络电压和表面电位测试系统,对比了未处理、等离子体均匀刻蚀、等离子体梯度刻蚀三种情况的样片表面形貌、化学元素和电气参数,研究了等离子体梯度刻蚀对沿面闪络性能的提升机理。结果表明,等离子体表面刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、提高样片表面电导率、浅化陷阱能级以及提升沿面闪络电压。等离子体梯度刻蚀对闪络电压的提升效果要优于等离子体均匀刻蚀,相比于未处理样片最大可提升26.5%。分析认为针-针电极的电场分布可划分为三结合点处附近的高场强区和电极之间的低场强区,加快高场强区的表面电荷消散速率并适当控制低场强区表面电荷迁移速率,可以最大程度地提升样片整体的沿面闪络性能。     

无箔二极管径向绝缘的数值模拟研究

 介绍绝缘子表面闪络的物理机制，对四种径向绝缘结构模型，用PIC数值模拟方法计算绝缘子表面的电场分布，比较它们三结合点以及沿绝缘子表面的合成电场大小，加导引磁场，考虑电子束发射、模拟电子回流对绝缘子表面闪络的影响，由此提出优化结构，对实际工程设计绝缘子有重要意义。     

环氧树脂基真空绝缘材料的制备和性能测试

 介绍了一种用于脉冲功率装置真空绝缘子的环氧树脂基复合材料的研制机理、制备过程和典型性能。初步测试结果表明，添加一定量的水合氧化铝颗粒可以使环氧树脂材料的表面电阻率由5×10¹⁶ Ω降低为6×10¹¹ Ω，这一特性有利于释放由于沿面闪络等原因沉积在真空绝缘子表面的电荷，从而使材料在脉冲电压下的沿面闪络电压有所提高，实验得到在上升沿400 ns的脉冲电压作用下， 沿面闪络电压可从17 kV 提高到 28 kV。     

介质壁加速器高梯度绝缘子研制

与普通绝缘子相比,高梯度绝缘子(HGI)的金属层与绝缘介质层交替排列结构可以抑制真空沿面闪络过程,从而提高沿面闪络场强。使用不同绝缘介质材料和金属材料采用不同加工制备工艺制备的HGI样品其沿面闪络场强差别较大。对所制备的绝缘介质层分别为聚酰亚胺、交联聚苯乙烯和尼龙,金属层为不锈钢箔,形状分别为圆柱与圆环型的HGI样品进行了真空沿面耐压测试,并对相同尺寸的纯绝缘介质样品进行了对照实验,得到了不同材料不同制备工艺HGI样品的耐压性能差异。结合样品表面显微照片观察得到的样品表面状况,分析了影响样品沿面闪络场强的因素。     

十二烷基苯中有机玻璃和尼龙的纳秒脉冲沿面闪络特性

为了揭示十二烷基苯中绝缘材料沿面闪络的发展过程,并研究有效提高脉冲功率装置绝缘爬电距离的方法,通过实验对不同脉冲前沿、不同电场形式下有机玻璃和尼龙6在负脉冲电压下的沿面闪络电压进行了测量。结果发现:随着脉冲陡度的增加,沿面闪络电压增大;随着沿面距离的增大,闪络电压升高,但闪络场强降低;电场越不均匀,越容易发生闪络,并且在极不均匀场中,闪络距离较大时,闪络电压随沿面距离的增长趋势变缓,出现了明显的拐点。研究认为,液体介质中的沿面闪络与真空中的沿面闪络具有相似的闪络机制,沿面闪络是在气化的通道内完成的。     

SF6中氧化铝环氧复合材料的纳秒脉冲闪络特性

氧化铝掺杂环氧树脂复合材料在电力绝缘设备中应用广泛,然而人们对其在纳秒脉冲下的绝缘性能研究较少,这限制了它在指导脉冲功率装置中的应用。为探究其在纳秒脉冲下的沿面绝缘性能,对氧化铝掺杂环氧树脂复合材料在前沿数十ns快脉冲电压下的闪络特性进行了研究,结果显示,其闪络电场较纯环氧有较大提高,闪络电压符合韦伯分布。实验表明,闪络电压随电压上升率的增加而显著增加,从5.8 kV/ns时的108 kV上升到20.5 kV/ns时的226 kV,增幅超过1倍。闪络时延随电压上升率的上升呈现“先快速下降、后趋于平缓”的趋势。在试样闪络通道表面观测到明显的碳化现象,说明实验中的闪络放电对复合材料有破坏性影响。     

固体绝缘子的真空沿面闪络研究

针对在高压设备中因沿面闪络现象而发生绝缘失效的问题,对沿面闪络现象中的基础特性测量手段、影响因素及其发生机制等关键问题进行了归纳总结,介绍了目前关于沿面闪络观测手段及其影响因素研究的主要进展,并对沿面闪络过程的具体机制以及表面电荷在沿面闪络过程中扮演的作用进行讨论。其中,外在因素、电极-介质界面层因素以及真空-介质表面层因素等三大类因素在影响沿面闪络的同时也对表面电荷积聚消散造成影响,其具体机制各不相同。在沿面闪络的主流机制中,SEEA理论较完整地阐述了沿面闪络的起始过程,ETPR理论则对沿面闪络的发展过程有着更好的解释。此外,表面电荷为沿面闪络发生提供了必要电荷,其积累与消散行为对沿面闪络发展起着决定性作用。开发能够实现低二次电子发射系数与高表面电导的绝缘材料及表面改性技术将是该领域未来重点研究方向。     

真空绝缘堆均压环的结构优化

采用数值模拟法和有限元网格细化法对比给出电场的合理参考范围,分别选取距离阴极三结合点(0.005)(21/2d)处(d是绝缘体的厚度)和距离阳极三结合点(0.008 5)(21/2d)处的电场强度为参考点。通过优化均压环形状,采用阴极激发闪络和阳极激发闪络两种模型来控制三结合点处的场强,优化得出阴极三结合点处场强值为2.55 kV/mm,阳极三结合点处场强值为23 kV/mm。     

神龙二号加速器绝缘环真空沿面闪络北大核心CSCD

在对神龙二号加速器绝缘环进行耐压考核时发现,感应腔中的绝缘支撑部件交联聚苯乙烯绝缘环在猝发多脉冲高压加载下出现的真空沿面闪络现象存在两种类型:阴极始发的闪络击穿和阳极始发的闪络击穿。通过计算绝缘环的沿面电场分布、对比击穿电压波形与绝缘环表面闪络放电烧蚀痕迹,结合小绝缘子样品实验结果对以上沿面击穿现象的机理进行了分析,认为可能是绝缘环端面与电极面的配合问题引起了加速段与注入器绝缘环击穿现象的差异。     

微堆层绝缘子的研制与初步实验研究

 为发展新型介质壁加速器技术,研制了微堆层绝缘子并开展了初步的实验研究。利用有限元及粒子模拟方法,理论计算了微堆层绝缘子的沿面电场分布及电子运动轨迹,提出微堆层绝缘子的优化设计方案;采用高温层压的方法,研制出以聚全氟乙丙烯薄膜为介质层、不锈钢膜为金属层的微堆层绝缘子试样,并初步开展了纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络实验。研究结果表明：微堆层绝缘子具有良好的真空沿面闪络性能,其闪络场强可达180 kV/cm。     

神龙二号加速器绝缘环真空沿面闪络

在对神龙二号加速器绝缘环进行耐压考核时发现,感应腔中的绝缘支撑部件交联聚苯乙烯绝缘环在猝发多脉冲高压加载下出现的真空沿面闪络现象存在两种类型:阴极始发的闪络击穿和阳极始发的闪络击穿。通过计算绝缘环的沿面电场分布、对比击穿电压波形与绝缘环表面闪络放电烧蚀痕迹,结合小绝缘子样品实验结果对以上沿面击穿现象的机理进行了分析,认为可能是绝缘环端面与电极面的配合问题引起了加速段与注入器绝缘环击穿现象的差异。