同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

电极表面光滑程度对水介质高电压击穿的影响

 采用水介质同轴实验装置，改变电极表面的光滑程度，在μs级充电时进行水介质击穿实验，并对实验结果进行了分析和解释。结果表明：抛光电极表面可有效提高水介质耐高电压击穿能力；表面粗糙度为0.4～0.8 μm的抛光电极表面的击穿场强比表面粗糙度为1.6～3.2 μm的粗糙抛光电极表面，更符合Martin公式。电极表面光滑程度的改善，使阴极场致发射电流减弱进而击穿延迟时间变长，气泡也更难以附着在光滑的电极表面，从而可以提高水介质耐高电压击穿能力。     

水介质形成线泄漏电阻对充电效率的影响

研制了一种基于直线变压器技术的脉冲功率系统,采用水介质脉冲形成线并联充电作为脉冲形成装置。分析了给形成线充电时泄漏电阻对充电电压效率和能量效率的影响,给出了泄露电阻的能量损耗率计算公式;结合实验参数计算了本实验中水介质形成线的泄漏电阻,介于8.2kΩ与3kΩ之间。根据泄露电阻取值范围,分析了双模块和四模块实验中水介质形成线充电过程中的电压效率与能量效率,结果表明水介质形成线的能量损失占其获得能量的5%～12%;计算结果同时表明:随着实验模块数增加,能量损失逐渐增大。     

μs级负充电时不同体积分数去离子水与乙二醇混合液电性能的实验研究

 以去离子水与乙二醇的混合液（体积分数分别为36.5%,48.7%,59.0%及71.2%，以下简称混合液）作为同轴传输线的绝缘介质，进行了μs级高电压负充电条件下的正电极击穿实验，研究了混合液的击穿电压、击穿时间、相对介电常数及电阻率与体积分数的关系。实验结果表明：在充电电压为20kV时，71.2%的混合液比36.5%的混合液的平均击穿电压提高25.1%，平均击穿时间延长10.49%，而相对介电常数减小868%。同时，随着充电时间的缩短，混合液的击穿电压提高。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

加压乙二醇/水混合液耐μs级高电压击穿实验研究

 采用同轴电极实验装置，在μs级充电时进行了加压乙二醇/水混合液正电极击穿实验，并对实验结果进行了分析和解释，得出结论如下：击穿场强随静压以1/8次幂的关系而增加；击穿场强系数随乙二醇浓度的增加而增加；加压和添加乙二醇对于提高水介质耐高电压击穿的能力具有可叠加性，加压比添加乙二醇更有效；在静压12×10⁵ Pa下乙二醇浓度80%的混合液击穿场强比常压下纯水击穿场强高112.2%。加压提高乙二醇/水混合液击穿场强的主要机制是加压增加了击穿延迟时间。     

加压水介质耐μs级高电压击穿实验研究

 采用水介质同轴电极实验装置，开展了μs级充电加压水介质击穿实验研究，并对实验结果进行了分析和讨论，结果表明：在水介质正电极击穿类型的实验中，常压下水介质击穿场强与Martin公式吻合。加压水介质击穿场强随静压的增加而增加，其场强增幅与Mirza定性理论场强增幅的相对差别在5%以内。根据实验结果推导出了更为准确的水介质击穿场强随静压变化的关系式。对水介质加压，将压缩电极表面气泡，减少气泡数目，从而可以提高水介质耐高电压击穿能力。     

微秒脉冲下碳酸丙烯酯的击穿特性

采用紧凑Tesla变压器型脉冲功率驱动源及球电极击穿试件,通过改变初级充电电压,开展了微秒级充电条件下碳酸丙烯酯及其与碳酸乙烯酯的混合液的击穿实验研究。由结果和分析可知:碳酸丙烯酯理论工作温度可低至-55℃,这意味着它可以成为一种低温下的良好液体电介质;碳酸丙烯酯耐压性能与去离子水相当,且实测电阻率达到了10 MΩ·cm以上;向碳酸丙烯酯中添加碳酸乙烯酯后,介电常数可提高至80以上,耐压强度也有所提升;将碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯混合液用于脉冲形成线作为储能介质无需附加去离子处理系统,有利于装置的紧凑化和小型化。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

电极表面特性对甘油介质击穿特性的影响

基于几种常见的电极表面处理工艺,制作了外形一致、表面不同的砂纸打磨、羊毛抛光、金属电镀和非金属电镀四种同轴电极,对比了电极在微观下的形貌特点,通过实验研究了不同电极表面特性与甘油介质耐压的关系。搭建了基于晶闸管控制的空心脉冲变压器升压实验平台,最大输出电压500 kV,上升时间26 s。实验结果表明:四种电极的微观形貌存在较大差异,并引起了甘油击穿特性的不同,在相同充电电压条件下,甘油的平均击穿场强为210~260 kV/cm;与使用常规的砂纸打磨电极相比,使用羊毛抛光、金属电镀、非金属电镀电极可分别使击穿场强提高14.51%,11.60%,19.67%,其中非金属电镀电极表面均匀程度远高于其他电极,最高击穿场强可达288 kV/cm,比对照组平均击穿场强提高33.09%。     

光谱方法研究大气压氩气等离子体喷枪的放电特性

利用同轴介质阻挡放电喷枪,通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。等离子体羽沿气流方向较为均匀,但在喷嘴处为白色且亮度较高,远离喷嘴处为蓝色,亮度较低。研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、驱动频率和气体流速的关系,气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大,而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。当气流保持恒定时,等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响,对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲,而负半周期没有发光信号。同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲,负半周期有一个发光脉冲。通过对该N₂现象的分析,为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱,研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N₂的发射谱线外,其发射光谱没有明显差别。利用光学发射谱N+₂第一负带系,对等离子体羽转动温度进行了测量,发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低,且转动温度随电压幅值的增大而增大。     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

50 kV紧凑型自动化纳秒脉冲源的研制

介绍了一种50 kV紧凑型自动化纳秒脉冲源,输出脉冲幅值1～50 kV连续可调,输出前沿约2 ns,脉宽约21 ns,搭配有界波导波天线,可建立满足IEC61000-2-9标准要求的电磁环境。该脉冲源采用电容直流充放电的方法实现输出电压连续可调,通过改变储能电容大小的方法实现输出脉冲脉宽可调。研制了一套远程光控的控制系统实现脉冲源的全自动化运行。该脉冲源可用于绝缘材料击穿特性试验,以及外接导波天线可产生特定的电磁环境等。通过设计和选用更高耐压的储能电容、充电绝缘子等部件,脉冲源可输出更高的电压。     

电极材料及偏压极性对氧化物介质击穿行为的影响及机制

忆阻器和能量存储电容器具有相同的三明治结构,然而两个器件需要的操作电压有明显差异,因此在同一个器件中,研究操作电压的影响因素并对操作电压进行调控,实现器件在不同领域的应用是十分必要的一个工作.本文利用反应磁控溅射技术在ITO导电玻璃、Pt/Si基底上生长了多晶ZrO_2和非晶TaO_x薄膜,选用不同金属材料Au, Ag和Al用作上电极构建了多种金属/氧化物介质/金属三明治结构的电容器,研究了器件在不同偏压极性下的击穿强度.结果发现:底电极是ITO的ZrO_2基电容器在负偏压下的击穿电场比Pt电极器件稍大.不管底电极是ITO还是Pt, Ag作为上电极时器件的击穿强度均存在明显的偏压极性依赖性,正偏压下的击穿电场减小了一个数量级;相反,在Al作为上电极的Al/TaO_x/Pt器件中,正向偏压比负向偏压下的击穿电场增加了近2倍.上述器件的不同击穿行为分别可以由氧化物电极和介质界面层间氧的迁移和重排、电化学活性金属电极的溶解迁移和还原以及化学活性金属电极与氧化物界面的氧化还原反应来解释.该实验结果对有不同操作电压要求的器件,如忆阻器和介质储能电容器等在器件设计和操作方面具有指导意义.