一种表面具有纳米孔穴的聚合物绝缘子

绝缘体表面结构和微观形貌对提高器件真空闪络特性有重要影响。首次提出了表面具有均匀分布纳米级空穴聚合物绝缘子的化学制备方法。通过本体聚合制备纳米级二氧化硅颗粒均匀分布的交联聚苯乙烯复合材料,机械加工成聚合物绝缘子后,采用氢氟酸化学腐蚀的方法将绝缘子表面氧化物颗粒去除。采用透射电子显微镜、表面电阻率和短脉冲高压测试平台分别对处理前后绝缘子的表面形貌和绝缘等性能进行了表征,结果表明:处理后的交联聚苯乙烯复合材料绝缘子的表面形成了20~50 nm直径的空穴,空穴的大小和数量分布分别由二氧化硅颗粒的粒径和加入量控制。这种具有特殊表面结构的新型绝缘子的沿面闪络电压较纯交联聚苯乙烯绝缘子提高了15%~20%,并保持了较好的力学及加工性能。研究方法和实验结果对聚合物绝缘子的表面结构设计及高性能绝缘子的研制提供了一种新的途径。     

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。     

云母/交联聚苯乙烯复合材料制备及沿面闪络性能

交联聚苯乙烯具有优异的电气性能、力学性能和可加工性能,已作为高压绝缘材料得到了重要应用。随着脉冲功率技术向小型化方向发展,对交联聚苯乙烯真空沿面闪络性能提出了更高要求。以苯乙烯为单体,二乙烯基苯为交联剂,偶氮二异丁腈为引发剂,采用超声波分散技术将不同质量分数的云母均匀分散于溶液体系中,通过原位自由基聚合制备出云母/交联聚苯乙烯复合材料。采用红外光谱、电子扫描显微镜等对材料组成和形貌进行了表征,采用短脉冲高压测试平台研究了云母对交联聚苯乙烯真空沿面闪络性能的影响。结果表明,当云母质量分数低于5%时,复合材料中云母为均匀分散状态,随着掺杂量进一步提升,出现了明显的团聚现象;当云母质量分数为3.5%~5%之间时,真空沿面闪络击穿电压和耐电寿命较交联聚苯乙烯得到了明显提升。     

聚合物绝缘子表面微结构构筑及闪络性能

对聚合物绝缘子表面微形貌的构筑方法及其对沿面闪络性能的影响进行了研究。首先以二氧化硅微球为模板，利用化学模板法在交联聚苯乙烯(CLPS)表面实现了μm级孔穴的构筑，研究了二氧化硅微球的颗粒直径及添加量对微孔参数的影响；其次，利用激光刻蚀的方法在有机玻璃(PMMA)绝缘子表面实现了百μm级三角形凹槽阵列的构筑，探索了激光工艺参数对微槽形貌和结构的影响。通过短脉冲高压测试平台对构筑了两种不同微形貌的绝缘子进行了真空沿面闪络性能测试。结果表明:沿面闪络电压均获得了显著提升，其中表面带有合适微槽的PMMA绝缘子的闪络电压相比于未处理的绝缘子提升了将近150%；与传统的表面机械加工处理方法相比，在聚合物表面实现了从μm到数百μm量级微结构的可控构筑，并使真空沿面闪络电压获得了稳定提升。     

真空中聚苯乙烯交联材料的沿面闪络特性

搭建了真空沿面闪络实验平台,在实验平台上对聚苯乙烯交联材料进行了真空沿面闪络性能测试,探讨了材料的真空沿面闪络电压强度与材料结构、材料内部微量杂质的关系。实验结果表明:随着聚苯乙烯材料交联程度的增加,其真空沿面闪络电压强度先增加后减少;聚苯乙烯交联材料分子链结构对其真空沿面闪络电压强度有重要影响;材料的真空沿面闪络电压强度还与交联材料内部异质分子数量有关系,微量异质结构的分子将导致沿面闪络电压强度的下降。     

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%。     

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。     

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。     

不同应用条件下最佳绝缘子构型

绝缘子的沿面闪络制约着脉冲功率系统向高电压、大电流方向发展,总结了几种实际应用条件下的最佳绝缘子构型,并对不同角度下绝缘子表面的带电情况进行了分析。结果表明,表面电荷对不同绝缘子构型的性能起着至关重要的作用,需要根据不同的应用条件来开展实验研究以确定最佳的绝缘子构型。     

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。     

亚微秒脉冲下高梯度绝缘子的沿面闪络特性

介绍了一种由聚酰亚胺和不锈钢叠加而成的高梯度绝缘子的实验研究工作。该绝缘子样品的直径60 mm,厚度8 mm,在脉冲宽度120 ns(FWHM)的电压脉冲加载下最高获得了接近13 MV/m的绝缘强度。研究了测试方法以及绝缘层厚度与金属层厚度的比例对高梯度绝缘子绝缘强度的影响,并与相同尺寸的普通材料绝缘子的绝缘强度进行了对比。结果表明,高梯度绝缘子的绝缘强度明显高于仅由聚酰亚胺构成的普通绝缘子。     

纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络特性

 为满足脉冲功率系统高性能、小型化的应用需求,设计并制作了聚酰亚胺膜为介质层、黄铜为金属层及聚全氟乙丙烯膜为介质层、不锈钢膜为金属层2种方案的微堆层绝缘子。基于Marx发生器及单同轴脉冲形成线的纳秒脉冲真空实验平台,对微堆层绝缘子的真空沿面闪络性能进行了测试。为了精确标定测量系统,利用输出脉冲幅值约20 kV的磁脉冲压缩电源对测量系统进行了标定,得到的分压比为25 133∶1。对2种方案微堆层试样的测试结果表明,闪络发生在电压上升期间,最大真空沿面闪络场强接近180 kV/cm。     

自磁场下绝缘子沿面闪络特征

基于磁场闪络抑制原理,研究回路电流产生的自磁场效应对固体材料绝缘性能的影响。通过计算电场强度与磁感应强度的临界比值,设计了同轴电极结构,确定了满足闪络抑制判据的电极尺寸,开展自磁场闪络抑制实验、自磁场闪络促进实验以及无磁场绝缘闪络实验,对比三种条件下绝缘材料的沿面闪络规律,分析磁场位形对材料绝缘特性的影响情况。实验结果表明:绝缘样品在自磁场闪络抑制效应影响下闪络电压提高了约15%,在自磁场促进闪络效应下闪络电压降低了约18%。     

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。     

软X射线辐照对绝缘材料沿面闪络性能的影响

绝缘体真空沿面闪络成为制约脉冲功率技术高电压、大电流和小型化发展应用的主要因素之一。在PTS装置的真空环境中,绝缘材料在受到软X射线辐照的情况下,其绝缘性能受到很大影响。因此为了提高PTS中交联聚苯乙烯的绝缘性能,同时更深刻地认识沿面闪络的机理,通过研究软X射线对于交联聚苯乙烯的辐照作用,观测到了不同辐照次数对于沿面闪络性能的影响。实验表明:未受到辐照的样品其真空沿面闪络性能高于软X射线辐照过的样品,而受14次钨丝阵辐照的样品其真空沿面闪络性能略高于受2次铝丝阵辐照的样品。同时,从软X射线对于绝缘体表面的辐照机理很好地解释了这种实验现象。     

Microscopic and macroscopic material properties effects onultraviolet-laser-induced flashover of angled insulators in vacuum

Flashover of electrically stressed polymeric insulators in vacuum has been induced by ultraviolet radiation from an excimer laser (KrF). The authors present the results of an experiment which (1) quantifies the effects of ultraviolet illumination on polymeric insulators; (2) characterizes ultraviolet-induced flashover over insulators at positive and negative angles, and (3) correlates microscopic and macroscopic material properties to flashover behavior. A theory of ultraviolet-induced insulator flashover is developed, which explains the unexpected variation of flashover strength with geometry in view of the current understanding of flashover in vacuum     

绝缘环打火研究

绝缘问题是高电压、高场强器件和设备中不可回避的问题,是决定器件、设备运行参数和稳定性的重要因素。针对一台直线感应加速器调试中出现的加速腔绝缘环在带束负载情况下的真空沿面闪络现象,进行了分析和研究。分析表明,在排除设计、材料、加工、洁净和真空度等常规异常因素后,导致绝缘环真空沿面闪络的可能因素是电子在绝缘环表面的吸附和累积,绝缘环上累积的电子来源和加速器中加速、传输的电子束的丢失有关。从加速腔工作状态出发,分析绝缘环表面积累电荷和丢失电子束的相关途径,进而提出相应的技术措施,以提高加速腔运行稳定性。     

脉冲加载下锥角绝缘子的激光辐照沿面闪络性能北大核心CSCD

通过搭建脉冲加载下的激光辐照沿面闪络实验平台,考察了锥角绝缘子受激光辐照时的真空沿面闪络性能。结果表明:不论是紫外光(266nm)还是可见光(532nm)辐照在阴极三相点或者样品中间,+45°锥角绝缘子构型的性能都要优于-45°锥角绝缘子,并且紫外辐照阴极三相点对沿面闪络电压的影响较大,因此在大型脉冲功率装置中应该避免射线对绝缘堆阴极三相点处的辐照。