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。     

表面改性对绝缘子真空沿面闪络特性的影响

在不同温度下对交联聚苯乙烯绝缘子进行了表面氟化处理,在脉宽0.5μs的脉冲电压下对绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。结果表明:在50~60℃下对交联聚苯乙烯进行表面氟化能将绝缘子沿面闪络电压提高40%~60%。通过在绝缘子表面层规律地嵌入多个薄膜导电层,制备了新型结构的高梯度绝缘子,新型高梯度绝缘子沿面闪络电压较相同材料的普通绝缘子提高40%~50%,并保持了较好的力学及加工性能。     

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。     

聚集态和陷阱对交联聚乙烯真空沿面闪络特性的影响

研究了半结晶聚合物交联聚乙烯的聚集态和陷阱等对真空沿面闪络特性的影响.交联聚乙烯(XLPE)在135℃下恒温10min后,分别经过-56℃,-25℃淬火处理,自然降温,或1℃/min,0.5℃/min慢速降温等热处理过程,测量了热处理后试样的电气性能、显微结构、陷阱分布和真空中的沿面闪络特性.实验结果表明,与未热处理试样相比,热处理试样的直流闪络电压最高提高了76%,脉冲闪络电压最高提高了19%.认为热处理改变了XLPE试样的聚集态和陷阱,从而提高了XLPE试样的真空沿面闪络性能,提出了可以通过控制半结晶聚合物的聚集态和缺陷结构提高其真空沿面闪络性能.     

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。     

真空中激光触发脉冲电压下绝缘材料闪络特性

搭建了真空中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行常用开关绝缘介质尼龙、聚碳酸酯和Al2O3陶瓷的激光触发沿面闪络特性试验,探讨了真空中激光触发沿面闪络的机理。试验结果表明:聚碳酸酯试品的自闪络电压最高;在真空中脉冲电压下的激光触发沿面闪络试验中,随着激光能量密度的增大,3种材料的时延和抖动均减小;532 nm和1 064 nm波长激光触发的条件下,3种材料的抖动均在1 ns左右,聚碳酸酯抖动较小;532 nm波长激光触发的时延小于1 064 nm波长激光触发的时延。     

不同E/cB值下同轴绝缘子闪络特性

基于磁场闪络抑制原理,研究了由回路电流产生的同轴自磁场对径向真空固体绝缘界面沿面闪络特性的影响规律。根据同轴结构电场E和磁场B的比值与半径无关、只与电路参数相关的特点,分别设计了E/cB（c为光速）为0.041,0.05,0.056和0.062的四种同轴电极结构,开展了有磁场和无磁场两种条件下电介质的真空沿面闪络实验研究。实验结果表明,在有利于磁场闪络抑制条件的自磁场位形下,真空沿面闪络耐压水平相比无磁场情况有明显提高,且比值E/cB越小闪络电压提高幅度越大。当E/cB比值为0.041时,沿面闪络电压可提高约1.3倍;而当自磁场位形反向时,沿面闪络电压相比于无磁场情况有所降低。     

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。     

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。     

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。     

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。     

真空中电子辐照下聚四氟乙烯沿面闪络电压特性

为了研究聚四氟乙烯材料(PTFE)在空间粒子环境中放电规律及其影响因素,通过实验获得了高真空低能电子辐照下PTFE高压直流沿面闪络电压,并采用等温电位衰减法测试了PTEE在辐照前及辐照后的陷阱密度,分析了影响PTEE沿面闪络电压的因素。研究结果表明:相比于无辐照时PTFE沿面闪络电压,当辐照电子能量为19~25 keV时,闪络电压明显更高;在电子束流密度不变的情况下,电子能量越高,材料表面正电荷密度越小,陷阱密度与电导率越大,电场畸形程度越小,因此闪络电压升高;当电子能量一定时,束流密度越高,初始电子数量和二次电子数量越多,因此闪络电压降低。     

PTS装置绝缘堆工作性能的初步分析

绝缘堆为PTS装置的核心部件之一,其工作性能很大程度上决定了PTS装置整机的运行状态。在前期整机调试的基础上,对PTS装置绝缘堆的工作性能进行了介绍与初步分析。基于真空沿面闪络的统计学经验公式和瞬态电磁波分析方法,对实验中出现的两种典型异常电压波形的原因进行了探讨,初步验证了环间闪络引起的瞬态电磁波在绝缘堆内部不同介质中传输、衰减与合成的规律。实验表明,在最高2 MV的工作电压下近30发的实验中,绝缘堆未出现贯穿性闪络现象。在实验中也观测到,随着发次的累积,绝缘堆的环间闪络会在随机分布的基础上呈现一定的系统性偏差。     

基于磁场闪络抑制技术的真空沿面闪络实验研究

为解决脉冲功率系统中击穿电压最低的部分,即真空固体绝缘界面,采用磁场闪络抑制技术提高闪络电压,为研究磁场和沿面闪络电压的关系,针对不同介电常数的样品开展了一系列相关实验。实验结果表明:采用电容器对通电螺线管充电产生的脉冲强磁场稳定可靠,并且当施加在绝缘子表面磁场强度为1.1 T时,PMMA材料的闪络电压可以提高至1.8倍。