纳秒脉冲下高气压SF6中同轴绝缘子沿面闪络影响因素实验研究

研究纳秒脉冲下的绝缘子沿面闪络影响因素对电磁脉冲模拟装置绝缘结构设计具有重要的借鉴意义。通过搭建绝缘子沿面闪络实验平台,实验研究了在0.5 MPa的SF6气体中,脉冲电压波形、绝缘材料和绝缘子沿面场强分布对绝缘子沿面闪络电压的影响。结果表明：绝缘子的闪络电压具有随着脉冲前沿时间减小而增加的趋势;相较于脉冲电压全波,绝缘子在脉冲电压前沿波形耐受下闪络电压较高;聚酰亚胺材料的绝缘性能最好;通过降低绝缘子沿面最大场强,改善电场分布可以有效地提高绝缘子的闪络电压。     

高场强下半导体沿面闪络现象的研究进展

 综述了国内外半导体沿面闪络的研究现状,阐述了电极结构的类型和影响闪络的主要因素;根据自定义的等值电导参数将闪络的发展划分为欧姆电导、局部闪络和贯通闪络3个阶段;通过对表面细丝电流的热过程进行实验和仿真研究,认为表面细丝电流通道的温度可以接近材料熔点,这一结果同时也支持了表面发热导致气体分子解吸附的假设;进一步通过气体解吸附的实验初步确定了存在外部的闪络通道。     

高梯度绝缘子的实验研究与性能分析

为解决脉冲功率系统中绝缘部件的真空沿面闪络问题,开发了基于二次电子崩理论的层叠式高梯度绝缘材料。利用全金属超高真空分析系统,对高梯度绝缘子的真空出气特性进行检测;利用四极质谱仪,对高梯度绝缘子真空出气的气体成分进行分析。利用阻抗分析仪测试不同结构绝缘材料的高频介电性能。基于纳秒脉冲真空实验平台,对高梯度绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试。研究结果表明:高梯度绝缘子具有良好的高频介电性能,其拐点频率高达200 MHz;锻炼后高梯度绝缘子的闪络场强可达190 kV/cm,其闪络性能和高梯度绝缘结构中绝缘层的材料及绝缘层与金属层的比例直接相关。     

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。     

固体绝缘子的真空沿面闪络研究

针对在高压设备中因沿面闪络现象而发生绝缘失效的问题,对沿面闪络现象中的基础特性测量手段、影响因素及其发生机制等关键问题进行了归纳总结,介绍了目前关于沿面闪络观测手段及其影响因素研究的主要进展,并对沿面闪络过程的具体机制以及表面电荷在沿面闪络过程中扮演的作用进行讨论。其中,外在因素、电极-介质界面层因素以及真空-介质表面层因素等三大类因素在影响沿面闪络的同时也对表面电荷积聚消散造成影响,其具体机制各不相同。在沿面闪络的主流机制中,SEEA理论较完整地阐述了沿面闪络的起始过程,ETPR理论则对沿面闪络的发展过程有着更好的解释。此外,表面电荷为沿面闪络发生提供了必要电荷,其积累与消散行为对沿面闪络发展起着决定性作用。开发能够实现低二次电子发射系数与高表面电导的绝缘材料及表面改性技术将是该领域未来重点研究方向。     

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。     

激光辐照绝缘样品不同位置的沿面闪络性能

绝缘体沿面闪络是制约脉冲功率技术发展的瓶颈之一。为了能对沿面闪络机理有更深的认识,通过在沿面闪络过程中引入激光辐照的作用,考察了绝缘样品上不同的辐照位置对于沿面闪络性能的影响。实验结果表明:辐照位置越靠近闪络起始的地方,对沿面闪络性能的影响越大;在沿面闪络的过程中,不同的阶段如闪络起始阶段及电子倍增阶段在整个闪络过程中所起的作用不同。     

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。     

介质壁加速器高梯度绝缘子研制

与普通绝缘子相比,高梯度绝缘子(HGI)的金属层与绝缘介质层交替排列结构可以抑制真空沿面闪络过程,从而提高沿面闪络场强。使用不同绝缘介质材料和金属材料采用不同加工制备工艺制备的HGI样品其沿面闪络场强差别较大。对所制备的绝缘介质层分别为聚酰亚胺、交联聚苯乙烯和尼龙,金属层为不锈钢箔,形状分别为圆柱与圆环型的HGI样品进行了真空沿面耐压测试,并对相同尺寸的纯绝缘介质样品进行了对照实验,得到了不同材料不同制备工艺HGI样品的耐压性能差异。结合样品表面显微照片观察得到的样品表面状况,分析了影响样品沿面闪络场强的因素。     

Current, luminosity, and X-ray emission in the early phase ofdielectric surface flashover in vacuum

With high-speed electrical and optical diagnostics, an attempt is made to elucidate the physical mechanisms leading to surface flashover. The experimental device uses a cable discharge to study self-breakdown along the surface of an insulator in vacuum. Preflashover current, breakdown voltage, luminosity, and soft X-ray emission are measured in temporal correlation with a resolution of 1 ns. The results show a linearly increasing current in the subampere range, and a corresponding linearly increasing luminosity, before an exponential increase of both signals takes over. The linear phase is accompanied by X-ray emission which ceases at the onset of the exponential phase. The strong influence of externally applied magnetic fields on the linear phase points to the existence of free electrons above the surface during the early phase of flashover. A linear current rise without magnetic field and the formation of a current plateau with an insulating magnetic field indicate a saturation of the current amplification mechanism in the early phase     

纳秒激光单脉冲烧蚀硅表面的超快成像研究

利用ICCD可以在纳秒时间尺度下成像的特点,以飞秒准连续激光产生的超短脉冲光为探测光,对纳秒激光单脉冲烧蚀硅靶表面的演化过程进行动态监测。在能量密度为50J／cm^2时,捕获了纳秒单脉冲激光烧蚀硅靶面过程中等离子体演化的时间分辨图像。图像表明,纳秒激光烧蚀硅靶产生的等离子体开始时密度大,膨胀速度快,当纳秒激光脉冲过后,等离子体不再产生,并且其膨胀速度不再增加,直至完全消失。     

Simulation of pulsed-laser-induced explosive boiling

Bulk evaporation process in absorbing condensed matter irradiated with laser pulses was studied using the one-dimensional thermal model with additional interfaces between different phases. Within this approach, it was shown that the repeated explosive boiling mode can be achieved using nanosecond laser pulses, if the nucleation time is shorter than 0.1 ns. This mode can be observed if the surface pressure is lower than the critical pressure P _c of the liquid-vapor phase transition. The dependences of these processes on the laser pulse intensity and duration, as well as on evaporation kinetics were studied. Explosive boiling and spallation of a transparent liquid film on a pulse-heated absorbing target, as well as the photoacoustic signal in the target before the explosion, were considered.     

纳秒单脉冲激光诱导AgInSbTe薄膜的相变特性

利用磁控溅射法在K9玻璃基底上制备了Ag8In14Sb55Te23(AIST)纳米薄膜,并利用激光抽运-探测技术测量了薄膜的时间分辨反射率变化特性。研究结果表明,在合适能量密度的单脉冲纳秒激光脉冲作用下,AIST薄膜可以快速从沉积非晶态转化为晶态结构,晶化过程包含中间熔化态。在较低能量密度范围内,反射率变化量和晶化时间都随能量密度变化呈线性增加趋势。     

微堆层绝缘子的研制与初步实验研究

 为发展新型介质壁加速器技术,研制了微堆层绝缘子并开展了初步的实验研究。利用有限元及粒子模拟方法,理论计算了微堆层绝缘子的沿面电场分布及电子运动轨迹,提出微堆层绝缘子的优化设计方案;采用高温层压的方法,研制出以聚全氟乙丙烯薄膜为介质层、不锈钢膜为金属层的微堆层绝缘子试样,并初步开展了纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络实验。研究结果表明：微堆层绝缘子具有良好的真空沿面闪络性能,其闪络场强可达180 kV/cm。     

块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构

对块状TiO2气凝胶的溶胶-凝胶过程及结构进行了实验研究,结果发现:增加催化剂的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度降低,强度提高;增加前驱体的量,凝胶化时间缩短,湿凝胶的透明度变化不大,强度提高;增加水量,凝胶化时间先缩短后增加,湿凝胶透明度先减小后增加,强度先增加后减小。利用扫描电镜对超临界干燥法制备的不同催化剂量和密度的块状TiO2气凝胶的结构进行了表征,并对结构与溶胶-凝胶过程之间的联系进行了分析。结果表明:增加催化剂量,由于缩聚反应进行的程度提高,气凝胶粒子粒径较小且总的孔径较大。减小前驱体量,气凝胶粒子粒径增大且结构逐渐疏松。     

平行板电极边缘滑闪引起加载电压的“双峰”现象

平板电容器是电磁脉冲(EMP)模拟装置中常用的脉冲压缩器件,在平行板电极的SF₆沿面闪络实验中发现,原本前沿光滑的纳秒脉冲电压加载在平行板电极上,会在脉冲电压前沿上测得一尖峰,使加载的脉冲电压出现“双峰”现象。为探索该现象的原因,首先通过理论分析,认为该现象可能是由于平行板电极边缘发生了滑闪放电,增大了电极等效正对面积,使平行板电极的等效容值发生突变所致,容值变化越大,尖峰越明显。之后开展了不同气压下平行板电极的沿面闪络实验,并对放电过程的图像进行了拍摄,结果表明:平行板电极边缘产生的树枝状放电在低气压时主干明亮粗大,分枝较多,气压升高后,主干亮度和直径逐渐变小,分枝也越来越少;随着气压的增加,由于平行板电极边缘的滑闪放电受到抑制,平行板的等效面积变化率越来越小,尖峰出现时对应的电压幅值越来越高,且尖峰越来越不明显,与理论分析一致。     

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。     

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。     

真空中聚苯乙烯交联材料的沿面闪络特性

搭建了真空沿面闪络实验平台,在实验平台上对聚苯乙烯交联材料进行了真空沿面闪络性能测试,探讨了材料的真空沿面闪络电压强度与材料结构、材料内部微量杂质的关系。实验结果表明:随着聚苯乙烯材料交联程度的增加,其真空沿面闪络电压强度先增加后减少;聚苯乙烯交联材料分子链结构对其真空沿面闪络电压强度有重要影响;材料的真空沿面闪络电压强度还与交联材料内部异质分子数量有关系,微量异质结构的分子将导致沿面闪络电压强度的下降。     

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。