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。     

刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析

基于一台长脉冲低阻抗强流相对论电子束加速器,对聚四氟乙烯、高分子量聚乙烯和聚碳酸酯在真空百ns高压脉冲下的绝缘特性进行了测量,重点研究了周期刻槽结构对材料绝缘强度的提升能力。实验表明：刻槽结构的引入可以有效地提高介质材料的闪络时延;聚碳酸酯是3种材料中比较优越的一个,刻槽处理可以使其闪络延时获得90%左右的提升。扫描电镜分析的结果也表明材料的表面特性是影响介质样品闪络时延的一个重要因素。     

刻槽绝缘子真空表面闪络特性分析

基于一台长脉冲低阻抗强流相对论电子束加速器,对聚四氟乙烯、高分子量聚乙烯和聚碳酸酯在真空百ns高压脉冲下的绝缘特性进行了测量,重点研究了周期刻槽结构对材料绝缘强度的提升能力。实验表明:刻槽结构的引入可以有效地提高介质材料的闪络时延;聚碳酸酯是3种材料中比较优越的一个,刻槽处理可以使其闪络延时获得90%左右的提升。扫描电镜分析的结果也表明材料的表面特性是影响介质样品闪络时延的一个重要因素。     

不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性

针对单极性脉冲电压下不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性开展实验研究。根据二次电子运动特性, 设计了多种微槽宽度, 对比了微槽结构和平面结构的绝缘子耐压特性差异。槽宽为1 mm的微槽样品耐压水平与平面结构样品耐压水平相当, 槽宽小于1 mm的样品组耐压水平均高于平面结构样品, 最高电压提高倍数约为1.4, 说明一定尺寸范围内的微槽设计将提高绝缘子真空耐压水平。通过电场强度计算分析微槽结构对二次电子运动的影响过程可知, 较大的微槽宽度可使电子限制在槽内运动, 较小的微槽宽度将抑制初始电子的发展, 最终二者都能达到抑制闪络的目的。通过显微镜观测各组样品表面特征, 材料表面微观缺陷将可能降低材料耐压水平。     

不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性

针对单极性脉冲电压下不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性开展实验研究。根据二次电子运动特性,设计了多种微槽宽度,对比了微槽结构和平面结构的绝缘子耐压特性差异。槽宽为1mm的微槽样品耐压水平与平面结构样品耐压水平相当,槽宽小于1mm的样品组耐压水平均高于平面结构样品,最高电压提高倍数约为1.4,说明一定尺寸范围内的微槽设计将提高绝缘子真空耐压水平。通过电场强度计算分析微槽结构对二次电子运动的影响过程可知,较大的微槽宽度可使电子限制在槽内运动,较小的微槽宽度将抑制初始电子的发展,最终二者都能达到抑制闪络的目的。通过显微镜观测各组样品表面特征,材料表面微观缺陷将可能降低材料耐压水平。     

长脉冲二极管绝缘子真空表面闪络

在长脉冲强流无箔二极管实验过程中观察到绝缘子沿面闪络现象。分析实验现象认为是屏蔽环与绝缘子距离过近造成了屏蔽环边缘高场强,从而产生场致发射电子。电子在强电磁场作用下撞击绝缘子表面引起了二次电子雪崩从而导致真空表面闪络。运用静电场模拟和粒子束模拟,改进屏蔽环结构。改进后的二极管工作电压500 kV,电流12 kA,在1 T引导磁场下稳定运行,没有再发生真空表面闪络。     

长脉冲二极管绝缘子真空表面闪络

 在长脉冲强流无箔二极管实验过程中观察到绝缘子沿面闪络现象。分析实验现象认为是屏蔽环与绝缘子距离过近造成了屏蔽环边缘高场强,从而产生场致发射电子。电子在强电磁场作用下撞击绝缘子表面引起了二次电子雪崩从而导致真空表面闪络。运用静电场模拟和粒子束模拟,改进屏蔽环结构。改进后的二极管工作电压500 kV,电流12 kA,在1 T引导磁场下稳定运行,没有再发生真空表面闪络。     

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。     

纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络特性

为满足脉冲功率系统高性能、小型化的应用需求,设计并制作了聚酰亚胺膜为介质层、黄铜为金属层及聚全氟乙丙烯膜为介质层、不锈钢膜为金属层2种方案的微堆层绝缘子。基于Marx发生器及单同轴脉冲形成线的纳秒脉冲真空实验平台,对微堆层绝缘子的真空沿面闪络性能进行了测试。为了精确标定测量系统,利用输出脉冲幅值约20 kV的磁脉冲压缩电源对测量系统进行了标定,得到的分压比为25 133∶1。对2种方案微堆层试样的测试结果表明,闪络发生在电压上升期间,最大真空沿面闪络场强接近180 kV/cm。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

外加磁场下真空沿面闪络特性数值模拟

以单粒子模型和带电粒子运动方程为基础,采用蒙特卡罗方法,编写了真空沿面闪络过程计算程序,研究了外加磁场对真空沿面闪络过程的影响,主要是对二次电子发射及电子束的雪崩运动的影响。研究表明：外加磁场的存在,改变了绝缘体表面电子的运动,进而影响到绝缘体表面电荷的分布,从而在宏观上对绝缘体的耐受电压产生影响;外磁场抑制真空沿面闪络的效果与磁场的空间分布有关,磁场加在阴极附近时产生的效果优于加在阳极附近。