正极性纳秒脉冲电压下变压器油中流注放电仿真研究

建立了二维轴对称流体模型, 仿真研究了正极性纳秒脉冲电压下变压器油中针-板电极流注放电的起始与发展过程, 得到了不同的外施电压幅值、脉冲上升沿时间与电极间隙距离下油中流注放电的形貌、 电场强度与空间电荷密度分布等. 仿真结果表明: 空间电荷加强了流注头部前方电场, 使流注通道更易于向前推进, 形成"电离波"; 随着外施电压幅值升高, 流注发展的平均速度显著变大; 较陡的脉冲上升沿形成的放电半径较大, 对应的最大电场强度值变小; 随着电极间隙距离的增加, 流注发展平均速度变快. 仿真显示纳秒脉冲下放电中油温无明显升高, 表明此类放电过程没有明显的油气化现象. 我们认为, 场致电离是油中带电粒子产生的主导机制; 空间电荷效应增强流注前方电场使得电离进一步发展, 最终导致击穿. 本研究有助于加深对变压器油中放电起始、发展直至击穿过程的认识以及对液体电介质中电离机制的理解. 关键词： 变压器油 流体模型 流注放电 空间电荷效应     

重频纳秒高压脉冲下变压器油击穿特性的实验研究

介绍了重频纳秒高压脉冲下变压器油绝缘特性研究的现状和成果。进行了重频（1 Hz～1 kHz）纳秒高压脉冲下25#变压器油击穿特性的实验研究。实验发现相对于单次纳秒脉冲,重频脉冲下25#变压器油的击穿场强与频率相关,频率提高,击穿场强降低,但不是线性关系,在频率超过100 Hz时变压器油的击穿场强变化较小,在10~100 Hz时变压器油的击穿场强迅速下降。初步总结了重复频率、脉冲宽度和击穿场强的关系,对重频脉冲下变压器油的击穿机理进行了初步的探讨。     

重频纳秒高压脉冲下变压器油击穿特性的实验研究

介绍了重频纳秒高压脉冲下变压器油绝缘特性研究的现状和成果。进行了重频（1 Hz～1 kHz）纳秒高压脉冲下25#变压器油击穿特性的实验研究。实验发现相对于单次纳秒脉冲,重频脉冲下25#变压器油的击穿场强与频率相关,频率提高,击穿场强降低,但不是线性关系,在频率超过100 Hz时变压器油的击穿场强变化较小,在10~100 Hz时变压器油的击穿场强迅速下降。初步总结了重复频率、脉冲宽度和击穿场强的关系,对重频脉冲下变压器油的击穿机理进行了初步的探讨。     

紧凑型重复频率高压纳秒脉冲电源及其仿真模型

纳秒脉冲等离子体在诸多实际的工程应用中依赖于小型化且可靠的纳秒脉冲电源实现。设计了一种紧凑型全固态高压纳秒脉冲电源,该电源主要由直流电源部分、绝缘栅双极晶体管及其驱动控制电路、可饱和脉冲变压器、磁脉冲压缩网络等组成。通过理论计算分析、PSpice电路仿真以及实验研究表明,其最终可以在800 的输出负载阻抗上获得幅值40 kV、脉冲宽度100 ns左右、脉冲上升沿约50 ns的高电压脉冲,重复频率最高可达5 kHz。     

紧凑型重复频率高压纳秒脉冲电源及其仿真模型

纳秒脉冲等离子体在诸多实际的工程应用中依赖于小型化且可靠的纳秒脉冲电源实现。设计了一种紧凑型全固态高压纳秒脉冲电源,该电源主要由直流电源部分、绝缘栅双极晶体管及其驱动控制电路、可饱和脉冲变压器、磁脉冲压缩网络等组成。通过理论计算分析、PSpice电路仿真以及实验研究表明,其最终可以在800 的输出负载阻抗上获得幅值40 kV、脉冲宽度100 ns左右、脉冲上升沿约50 ns的高电压脉冲,重复频率最高可达5 kHz。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

纳秒脉冲下单间隙伪火花放电特性

采用单间隙伪火花放电装置,研究了纳秒脉冲下气压、间隙距离和小孔直径对伪火花放电特性的影响。研究结果表明,纳秒脉冲下伪火花放电电压随着气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小。通过数值拟合,得到了放电电压与气压、间隙距离和小孔直径间的经验公式。放电电压随着气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小,衰减系数分别为0.76,0.39和0.39。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

纳秒脉冲下单间隙伪火花放电特性

采用单间隙伪火花放电装置,研究了纳秒脉冲下气压、间隙距离和小孔直径对伪火花放电特性的影响。研究结果表明,纳秒脉冲下伪火花放电电压随着气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小。通过数值拟合,得到了放电电压与气压、间隙距离和小孔直径间的经验公式。放电电压随着气压、间隙距离和小孔直径的增加而减小,衰减系数分别为0.76,0.39和0.39。     

纳秒脉冲下变压器油两相流注放电仿真研究

为揭示液体电介质击穿过程中形成的气体放电通道对液体电介质放电过程的影响,以针—板电极间隙变压器油为研究对象,基于等离子体流体力学模型,引入了液体电介质放电过程中气相放电通道对电离机制及自由电荷迁移率的影响,建立了用于模拟脉冲电压下液体电介质放电过程的两相流体模型,仿真研究了纳秒脉冲下针板电极流注放电的起始与发展过程。仿真结果表明：采用Heaviside方程可以在模型的不同区域同时实现气相物理过程和液相物理过程的模拟与计算。气相物理过程的引入导致流注尾部电场显著降低,流注头部电场进一步增强,使流注通道的发展速度要高于传统液相模型,有助于加深对纳秒脉冲下液体电介质中预击穿流注的起始、发展过程的认识和理解。     

纳秒脉冲下变压器油中闪络光信号特性

 对变压器油中闪络过程的光信号特性进行了分析。在预闪络阶段,光信号呈现出脉宽为2~4 ns,幅值为30~50 mV的不规则脉冲;临近闪络阶段,光信号频率更高,脉宽为1/2~1/3 ns,最高幅值也增长到约70 mV;在闪络阶段,光信号波形呈现出1个波峰或者2个波峰的形状,幅值差异显著。光信号的形状预示了闪络中流注通道的发展过程及流注通道中粒子的变化。分析表明：光电离是纳秒脉冲下变压器油中闪络的重要因素。     

纳秒脉冲下变压器油中闪络光信号特性

对变压器油中闪络过程的光信号特性进行了分析。在预闪络阶段,光信号呈现出脉宽为2~4 ns,幅值为30~50 mV的不规则脉冲;临近闪络阶段,光信号频率更高,脉宽为1/2~1/3 ns,最高幅值也增长到约70 mV;在闪络阶段,光信号波形呈现出1个波峰或者2个波峰的形状,幅值差异显著。光信号的形状预示了闪络中流注通道的发展过程及流注通道中粒子的变化。分析表明：光电离是纳秒脉冲下变压器油中闪络的重要因素。     

基于谐振电路与脉冲变压器的高压脉冲源设计

提出一种基于谐振电路与脉冲变压器结合的高压脉冲实现方案,该方案利用电容与电感的谐振效应,结合脉冲变压器的升压作用,在仅使用一个半导体开关的条件下,实现高压脉冲的输出,其结构简单,成本低,并且可实现零电压关断。并对于电路的运行模式进行了理论分析,搭建了原理样机进行实验。容性负载条件下,实现频率1～ 15 kHz、幅值0～ 10 kV可调的高压脉冲输出,对比分析了续流支路以及续流电阻对于输出高压脉冲波形的影响。利用该脉冲电源进行DBD放电实验,成功驱动介质阻挡放电反应器,验证了该方案的可行性。     

200 kV水介质高压脉冲延时线

介绍了200 kV水介质高压脉冲延时线的基本设计参数,阻抗为23.4 Ω,电长度为300 ns;分析了该延时线的耐压特性,并对其传输脉冲幅度衰减率进行了估算。加工了一套高压脉冲延时线装置,并进行了实验研究。实验中,利用Blumlein线产生两路高压方波脉冲输出,一路经高压电缆-延时线-高压电缆到匹配负载,另一路经过高压电缆到匹配负载,两负载上的脉冲等效认为是延时线的输出脉冲和输入脉冲。实验结果表明,该延时线工作电压大于200 kV,输入方波脉冲前沿为30 ns,输出方波脉冲前沿增加到34.5 ns,方波脉冲幅度损耗率为1.8%。     

200kV水介质高压脉冲延时线

介绍了200 kV水介质高压脉冲延时线的基本设计参数,阻抗为23.4Ω,电长度为300 ns;分析了该延时线的耐压特性,并对其传输脉冲幅度衰减率进行了估算。加工了一套高压脉冲延时线装置,并进行了实验研究。实验中,利用Blumlein线产生两路高压方波脉冲输出,一路经高压电缆-延时线-高压电缆到匹配负载,另一路经过高压电缆到匹配负载,两负载上的脉冲等效认为是延时线的输出脉冲和输入脉冲。实验结果表明,该延时线工作电压大于200 kV,输入方波脉冲前沿为30 ns,输出方波脉冲前沿增加到34.5 ns,方波脉冲幅度损耗率为1.8%。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6 k的负载电阻上输出幅值100 kV、上升沿约为30 ns、最高频率可达500 Hz的高压纳秒脉冲。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

交流和纳秒脉冲Ar/H2O介质阻挡放电聚丙烯材料表面亲水改性对比研究

为了提高等离子体对聚合物材料表面处理的应用效果,优化亲水处理的条件,研究了交流和纳秒脉冲氩气介质阻挡放电（DBD）中添加适量H₂O,对聚丙烯（PP）亲水改性的处理效果。利用电学和光学诊断方法,系统地对比了交流DBD和纳秒脉冲DBD的放电特性,结果表明,纳秒电源驱动DBD具有更高的放电瞬时功率,更好的放电均匀性和更高的能量效率。通过测量不同水蒸气含量下DBD的OH发射光谱强度,确定了PP材料亲水性处理中H₂O添加的最优含量。利用交流和纳秒脉冲电源驱动DBD分别对PP材料进行亲水改性的处理,测量了不同条件下改性处理后的表面水接触角,并利用原子力显微镜（AFM）和傅里叶红外光谱（FTIR）分别对处理前后PP材料的表面物理形貌和表面化学成分进行分析。结果发现,经DBD处理后PP材料的水接触角明显降低,表面粗糙度明显增大,表面的亲水性含氧基团,羟基（−OH）和羰基（C=O）的数量大幅增加。相比交流电源,纳秒脉冲DBD处理的改性效果更好,其处理后的材料表面水接触角,比交流DBD处理的低5°左右,表面粗糙度也有所提升。而水蒸气的加入可使PP材料的表面水接触角进一步减小4°左右,表面粗糙度明显提升。研究结果为优化DBD聚合物材料表面改性实验条件及处理的效果提供了重要的参考依据。     

纳秒脉冲电压的波形重建

 介绍了一种根据脉冲电压测量系统的输入输出波形对纳秒脉冲电压信号测量系统进行参数计算的方法和技术，该方法基于最优化原理，并将其应用于快脉冲电压波形的重建。重建的波形用电容分压器实测波形进行了检验，表明重建波形有比用积分器更好的效果。     

纳秒脉冲电压的波形重建

介绍了一种根据脉冲电压测量系统的输入输出波形对纳秒脉冲电压信号测量系统进行参数计算的方法和技术,该方法基于最优化原理,并将其应用于快脉冲电压波形的重建。重建的波形用电容分压器实测波形进行了检验,表明重建波形有比用积分器更好的效果。