纳秒脉冲电压同轴电场下有机玻璃和尼龙的闪络特性

利用基于SOS的SPG200高压脉冲功率装置研究了有机玻璃(PMMA)和尼龙1010在变压器油中的闪络特性。研究结果表明:闪络电压随内电极直径增加近似指数增加，随闪络距离延长近似线性增加，相应的击穿时延也近似线性增加。受实验条件的影响，有机玻璃和尼龙1010的闪络性能略有差异。同轴径向电场降落集中在内电极表面附近一定径向距离内，同轴电场下的闪络电压主要由内电极表面电场与径向电场分布的均匀程度决定。增加内电极直径和延长闪络距离都可以提高闪络电压，而增加内电极直径的效果更显著。     

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。     

百纳秒脉冲下绝缘材料沿面闪络特性北大核心CSCD

为研究百纳秒脉冲下两种典型的绝缘材料(尼龙和有机玻璃)在气体中的沿面闪络特性,设计了百纳秒脉冲沿面闪络实验平台。通过实验研究了绝缘材料的闪络电压随气体气压、闪络距离、等物理因素的变化规律,实验表明:闪络电压随着气压的增加而增加,但是闪络场强随着闪络间距的增加而降低;在相同条件下,有机玻璃的闪络电压比尼龙高。同时通过沿面闪络实验,得到在百纳秒脉冲下不同气压、不同闪络间距的闪络电压值。     

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。     

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。     

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。     

高压重复频率快脉冲下变压器油中的闪络

介绍了重复频率快脉冲下固/液体介质交接面闪络初步的实验结果.脉冲功率源为基于半导体断路开关(SOS)的SPG200,固体介质为有机玻璃和尼龙,液体介质为变压器油.在相对低频阶段,闪络耐压时间与闪络场强随外加电压脉冲频率的增加非线性迅速减小,在约200 Hz以后,两者下降的趋势明显减缓.随着脉冲频率的增加,闪络耐压时间在统计上变小的同时,在一定区间内的分布也更均匀.分析表明,在不同实验条件下,重复频率显著低于单次下的沿面闪络和体击穿场强.两类场强都随脉冲频率增加非线性下降,在约200 Hz以后,下降的程度减弱.闪络场强随重复频率电压脉冲频率的变化表明,电压作用时间是绝缘介质击穿的根本要素,脉冲电压对绝缘介质的作用时间越长,沿面闪络越容易发生.     

激光触发真空沿面闪络开关的初步实验研究

 介绍了沿面闪络开关的发展状况和基本原理，实验研究了真空条件下激光触发介质沿面闪络特性。实验采用固体Nd:YAG纳秒激光器作为触发源，对试样施加正直流高压，电压范围1～6 kV，试样绝缘子为直径50 mm的尼龙6。通过研究不同激光能量、波长和聚焦形状对介质闪络的影响，总结出适用于沿面闪络开关的激光触发形式。实验表明：在一定电场和真空度下闪络的时延和抖动将随着输入激光能量的提高而减小，而激光可触发的电压范围将提高；激光波长减小有助于提高触发的稳定性；激光焦斑的形状是沿面闪络触发的最大影响因素，采用具有一定能量密度、焦斑横跨两电极的带状激光来触发闪络是闪络开关的理想选择。     

脉冲条件下绝缘介质气体沿面闪络发光特征

对大气环境中脉冲电压加载下绝缘介质沿面闪络放电开展了初步放电图像诊断研究。采用超高速可见光分幅相机诊断指状电极结构下有机玻璃材料在大气环境中不同时刻闪络通道发光图像特征。实验结果表明:闪络通道形成和扩张阶段中，阴极区域和阳极区域均产生放电发光，放电通道沿固体电介质表面快速贯穿，贯穿时间约15 ns，贯穿后发光通道逐渐扩张至一定区域，发光强度大，维持时间长，整体发光时间可持续到μs量级，放电通道内能量分布有所差异。     

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。     

Study on dielectric surface discharge in transformer oil under high voltage nanosecond pulse

Electrical equipments are always subjected to different operating conditions and voltage waves which cause electrical failure on the surface and in the bulk of dielectrics. In this paper, experiments have been carried out to study main factors that influence the characteristic of dielectric surface discharge in transformer oil. Experimental study on flashover of nylon 6 and polymethyl methacrylate (PMMA) under applied voltage ranged from 50 to 250 kV shows that the flashover voltage U is influenced by the insulation structure, rise velocity and pulse width of the applied voltage. Flashover electrical field value E in pulse with rise time less than 10 ns is higher than that in DC and AC voltages. When angle between electrode and the sample is about 45°, nylon 6 and PMMA show the best flashover performance. From these results, the influence of the secondary electron emission and space charges on the electrical breakdown of dielectrics has been stressed.     

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%。     

Surface arcing of insulators due to bentonite contamination

Impulse, alternating and direct voltage tests together with optical observations have been done under clean and polluted surface conditions with respect to bentonite, which is treated as a pollutant. The insulator materials tested were polymethyl methacrylate and polythene. Bentonite pollution may affect several surface flashover characteristics such as voltage at breakdown and 50% breakdown voltage under negative lightning impulse (1.2/50 μs) and the time to breakdown under wet condition for both negative and positive impulse voltage. There are four types of paths taken by the discharge channels, based on which the degree of degradation of the material surface may vary.     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时，火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象，直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此，对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析，用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计，有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度，其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm，阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm，绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理，降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

空气中激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真

搭建了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行了尼龙介质的激光触发沿面闪络特性试验,应用蒙特卡罗方法对尼龙在空气中激光触发沿面闪络过程进行仿真。建立了激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真模型,对蒙特卡罗算法的实现过程进行了描述,得出激光能量密度不同时的闪络时延。仿真结果显示,随着激光能量密度的上升,激光触发沿面闪络时延下降,这表示激光能量密度增加,在介质表面上产生的电子数增多,使沿面闪络的时延减小,仿真结果与试验结果趋势一致,初步验证了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络机理。