真空中聚乙烯膜在纳秒脉冲电压下的沿面闪络特性

 在高功率离子束二极管中，当利用阳极膜沿面闪络产生的等离子体作为离子束引出源时，其特性对产生离子束的大小和品质有着很大的影响，因此要深入研究阳极膜的沿面闪络特性。主要介绍了所研制的一套适用于沿面闪络特性研究的实验装置和测量诊断系统。对离子束二极管中使用的三种厚度聚乙烯薄膜在脉冲电压下的沿面闪络特性进行了实验研究，并对沿面闪络过程中薄膜表面的发光现象作了初步的诊断。     

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。     

纳秒脉冲表面介质阻挡放电特性实验研究

在常规大气环境条件下,基于单极性纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究。结果表明:纳秒脉冲表面介质阻挡放电的本质是丝状放电,放电集中在电压脉冲的上升沿;激励电压和脉冲重复频率越大,放电越强烈,越接近均匀放电,但电压的作用更侧重于均匀性,而频率的作用则侧重于放电的强度;电极间隙的优化可以使表面介质阻挡放电特性最好;玻璃作为阻挡介质时容易发生沿面闪络。     

辉光放电预处理对聚酰亚胺绝缘子真空沿面闪络电压的影响

为提高绝缘子的真空沿面闪络电压,采用氩气下辉光放电对绝缘子进行处理,研究了辉光放电频率、放电电流大小和处理时间对绝缘子真空闪络电压的影响。结果表明,辉光放电能极大提高绝缘子的真空闪络电压。未处理的绝缘子真空闪络电压为55 kV左右;经高频辉光放电预处理40 min后,绝缘子真空闪络电压达到100 kV;经工频辉光放电预处理40 min后,绝缘子真空闪络电压可达125 kV,高出高频下25 kV;同时,辉光放电电流（数十mA）越大,处理后的绝缘子真空闪络电压越高,但随着辉光放电电流的增大,闪络电压的增加幅度趋于饱和。     

Experimental study on characteristics of nanosecond-pulse surface dielectric barrier discharge

在常规大气环境条件下,基于单极性纳秒脉冲电源对表面介质阻挡放电特性进行了实验研究.结果表明:纳秒脉冲表而介质阻挡放电的本质是丝状放电,放电集中在电压脉冲的上升沿;激励电压和脉冲重复频率越大,放电越强烈,越接近均匀放电,但电压的作用更侧重于均匀性,而频率的作用则侧重于放电的强度;电极间隙的优化可以使表面介质阻挡放电特性最好;玻璃作为阻挡介质时容易发生沿面闪络.     

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。     

复杂结构沿面闪络产生发展阶段模拟研究

以天光Ⅱ-A装置X-pinch负载腔为例，采用包含场致发射、二次电子倍增模型的三维模拟软件OPAL，对复杂结构中真空绝缘体沿面闪络的产生与发展阶段进行了模拟研究。模拟结果表明，阳极产生的二次电子在平行于绝缘体表面的电场分量的作用下从阴极座向大半径的运动，是导致沿面闪络的主要原因。并提出了阻断沿面闪络的方法及其原理。采用阻断沿面闪络的措施后，后续多次X-pinch负载腔放电实验证明，正常的回流电流增加了近20%，真空绝缘体上的沿面闪络得到了抑制。；     

聚四氟乙烯沿面闪络电压规律

由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性，因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性，实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压，得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现:随着闪络次数的增加，材料放电电压呈先增大后稳定的规律，闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析，认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。     

纳秒脉冲下真空中绝缘子表面带电特性

 实验研究了前沿50 ns、脉宽350 ns和3 μs正负极性的4种脉冲电压作用下,真空中绝缘材料的各种局部放电现象以及由此引起的表面带电。结果表明:在脉冲电压作用下,绝缘材料沿面闪络发生前会发生各种局部放电现象,局部放电是纳秒脉冲下绝缘材料表面带电的根本原因。只要发生局部放电,绝缘材料表面就会出现正极性的电荷,并且在阴极附近的电荷密度略大于阳极附近的电荷密度,但由于材料陷阱的分布,也会有局部突变。有机玻璃比聚乙烯容易发生局部放电和积聚电荷,沿面闪络电压值更低。局部放电引起表面带电的物理机制是二次电子发射形成过程中的电子碰撞电离和材料陷阱捕获电荷共同作用。     

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。     

介质阻挡放电中圆圈点放电丝的分子振动温度

在氩气、空气混合气体介质阻挡放电中,首次利用光谱方法,测量了圆圈点放电丝中圆圈放电和中心点放电的振动温度,并研究了它们随空气含量的变化.振动温度的计算利用的是氮分子第二正带系(C3Ⅱu→B 3Ⅱg)的发射谱线.结果表明:圆圈放电的振动温度高于中心点放电的振动温度;二者均随空气含量的增加而增加,但圆圈放电振动温度的增加速...     

平行板电极边缘滑闪引起加载电压的“双峰”现象

平板电容器是电磁脉冲(EMP)模拟装置中常用的脉冲压缩器件,在平行板电极的SF₆沿面闪络实验中发现,原本前沿光滑的纳秒脉冲电压加载在平行板电极上,会在脉冲电压前沿上测得一尖峰,使加载的脉冲电压出现“双峰”现象。为探索该现象的原因,首先通过理论分析,认为该现象可能是由于平行板电极边缘发生了滑闪放电,增大了电极等效正对面积,使平行板电极的等效容值发生突变所致,容值变化越大,尖峰越明显。之后开展了不同气压下平行板电极的沿面闪络实验,并对放电过程的图像进行了拍摄,结果表明:平行板电极边缘产生的树枝状放电在低气压时主干明亮粗大,分枝较多,气压升高后,主干亮度和直径逐渐变小,分枝也越来越少;随着气压的增加,由于平行板电极边缘的滑闪放电受到抑制,平行板的等效面积变化率越来越小,尖峰出现时对应的电压幅值越来越高,且尖峰越来越不明显,与理论分析一致。     

半导体闪络引起的材料表面破坏现象研究

长期以来,沿半导体表面的闪络现象使得很多高功率半导体器件只能工作在相对较低的电场下,限制了它们的发展,而目前对半导体闪络的物理机理尚不明确.开展了冲击高压下Si及GaAs半导体的表面闪络实验,通过红外摄影观察到闪络过程中半导体表面存在的细丝状电流通道,且发现电极中央区域会出现明显红外辐射集中点.在闪络后的材料表面可以观察到细丝状破坏现象,其中在破坏后的n100型Si材料表面的细丝通道周围发现了凹坑形结构,凹坑中心存在圆锥状突起.结合电极边缘细丝状的破坏现象,讨论了电极边缘的热注入和内部多数载流子的弛豫特性 关键词： 半导体 表面闪络 细丝电流 表面破坏     

刻槽绝缘子真空表面闪络光学特性

利用超高速相机Hsfc-Pro对绝缘子真空表面闪络光学特性进行了研究,重点分析了平板和刻槽结构圆盘形介质样品在指状电极下闪络通道的差异以及刻槽结构对材料绝缘强度的提升。实验结果表明:槽纹的引入改变了闪络通道的形成位置,平板结构介质样品的表面闪络一般是沿两电极中心连线发展,而刻槽结构介质样品的表面闪络则是沿介质边缘发展。这导致后者的闪络时延至少是前者的/2倍,证明了刻槽结构可以在不增加器件尺寸的前提下有效提高介质材料的绝缘强度。     

High-risk region of bird streamer flashover in high-voltage transmission lines

Bird-caused outages are more common and widespread than generally believed, and greatly threaten the safety of transmission lines. However, few reports are concerned with laboratory research of bird-caused faulting, especially in the case of long air gap insulators. This paper carried out experimental and simulation work on bird streamer flashover of 220 kV insulators. It was found that the radial distance from the insulator axis shows great influence on the bird streamer flashover. Significant is that we also found a high-risk region of bird streamer flashover which can be restricted in an elliptical region located at the center of 220 kV insulator string, the major and minor axes being 500 mm and 250 mm. The processes of flashover due to bird streamer are discussed in detail. Simulation work further demonstrates the existence of the elliptical region of high flashover risk, which is of significance for transmission line protection.     

Model of pulsed electric discharge expansion in dense gas taking into account electron and radiative thermal conductivities. I. Expansion mechanism

Using an ionization sensor, it was found that weakly ionized plasma with an ionization degree larger than 10^?6 is formed under exposure to UV radiation of a high-current pulsed electric discharge in gas (air, nitrogen, xenon, and krypton) at atmospheric pressure at a distance of ～1.2–2.5 cm from the discharge boundary. It was shown that the structure of such discharge includes, in addition to the discharge channel, a dense shell and a shock wave, also a region of weakly ionized and excited gas before the shock wave front. The mechanism of discharge expansion in dense gas is ionization and heating of gas involved in the discharge due to absorption of the UV energy flux from the discharge channel and the flux of the thermal energy transferred from the discharge channel to the discharge shell due to electron thermal conductivity.     

介质阻挡放电中单双层气隙内微放电通道的等离子体参量研究

采用H型放电间隙的介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体中,得到了三种新颖的等离子体发光斑图。较于传统获得的斑图,这三种发光斑图是产生在单层气隙与双层气隙结合的气隙装置之中。通过相机拍摄到的斑图照片,可以发现单层气隙和双层气隙中微放电通道呈现的发光亮度、颜色、放电面积等状态有所不同,这表明微放电通道所处的等离子体状态可能各不相同。通过分析这三种等离子体发光斑图, 利用发射光谱法首次研究了单层气隙和双层气隙内微放电通道的等离子体参量。实验通过采集氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算了单层气隙和双层气隙内微放电丝的分子振动温度,并进一步利用氩原子696.57 nm(2P₂→1S₅)谱线的展宽分析了单层气隙和双层气隙内微放电丝的电子密度。结果发现： 在左右相同厚度的双层气隙中,耦合微放电丝的分子振动温度基本相同,电子密度也趋于一致,单层气隙内微放电丝的分子振动温度要高于双层气隙内微放电丝,电子密度则小于双层气隙内微放电丝。单层气隙和双层气隙中不同微放电通道等离子体状态的差异性使之形成多种折射率的等离子体光子晶体,其周期性排布将具有更加丰富的带隙结构。     

介质窗口材料对高功率微波传输特性的影响

运用光学方法,分析平面波通过无限大介质平板的传输特性,进而分析单层介质窗口的引入对微波传输性能的影响。在S波段微波源上对聚四氟乙烯材料进行了真空环境下的微波放电击穿实验,通过长时间的表面放电,在聚四氟乙烯材料表面出现电痕和电树枝。在100 ns脉冲宽度下,未发生大面积表面放电前,通过光学照相,在介质表面观测到局部放电现象,认为局部放电仍能导致材料表面破坏。作为对比,进行了聚苯乙烯材料的电老化实验,实验结果表明聚苯乙烯材料具有良好的耐电痕、耐电树枝老化特性。