“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。     

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。     

电触发真空沿面闪络开关工作特性初步研究北大核心CSCD

为研究电脉冲触发真空沿面闪络开关在中、小通流条件下的适用性,基于直接镀铜基板工艺制作了真空沿面闪络开关样件并搭建了开关工作特性测试实验平台。通过实验手段初步研究了开关耐压特性、触发工作特性(触发延时、抖动、工作范围)和寿命特性。实验结果表明:有效间隙7.2 mm的真空沿面闪络开关直流耐压约40 kV;开关在18 kV工作电压下触发导通延时89.9 ns,抖动13.1 ns,开关在1~18 kV工作电压范围内均能可靠触发导通;连续考核约2300次后开关各项特性无明显变化。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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0.5 s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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

平板Blumlein线多通道轨道开关

 设计制作了一个有多通道连接的类似轨道的平行电极结构的开关,给出了开关的结构,对开关内的电场分布做出分析,利用Pspice软件对安装在实验装置中的开关的电压电流进行了计算。实验测得此开关在实验系统中耐压约为500 kV,导通时通过阻值为1 kΩ的水电阻负载的电流为400 A左右。实验所得电压电流波形与模拟结果基本吻合。实验证明此开关具有体积小、更适于平板传输线的结构等优点。     

平板Blumlein线多通道轨道开关

设计制作了一个有多通道连接的类似轨道的平行电极结构的开关,给出了开关的结构,对开关内的电场分布做出分析,利用Pspice软件对安装在实验装置中的开关的电压电流进行了计算。实验测得此开关在实验系统中耐压约为500 kV,导通时通过阻值为1 kΩ的水电阻负载的电流为400 A左右。实验所得电压电流波形与模拟结果基本吻合。实验证明此开关具有体积小、更适于平板传输线的结构等优点。     

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。     

表面喷砂对有机玻璃沿面闪络性能影响

绝缘子表面粗糙处理是提升其沿面闪络性能的重要途径,表面粗糙化处理方式不当,极易带来表面结构不均匀,难以获得稳定耐压性能的绝缘材料。为提升绝缘子表面粗糙处理的均匀性,本文利用表面喷砂技术对圆柱形有机玻璃（PMMA）绝缘子进行了粗糙化处理研究,以球形二氧化硅（SiO₂）颗粒为工作介质,研究了不同喷砂粒径、氢氟酸后处理等因素对绝缘材料表面形貌和组分的影响,并利用短脉冲高压测试平台对喷砂处理前后有机玻璃绝缘子样品进行了真空沿面闪络性能测试。研究结果表明,喷砂处理在有机玻璃表面形成了较为均匀的凹坑,HF酸能够有效去除表面残留的SiO₂颗粒,具有表面喷砂粗糙结构的绝缘子沿面闪络电压得到了稳定提升,相较于未处理的绝缘子闪络电压提升了约80%。     

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.