二极管的径向绝缘设计及阴极特性研究

介绍了二极管真空绝缘中真空沿面闪络的理论、绝缘结构设计的要点以及沿面闪络域值的估算方法,提出了二极管结构优化设计的思路和方法,通过数值计算对二极管的径向绝缘结构进行了设计优化,一方面降低了三相点的电场强度和绝缘体沿面电场强度,另一方面提高了绝缘体表面的沿面击穿场强。实验结果表明,优化后的二极管绝缘结构满足设计指标,在正常工作电压下未发生击穿现象,并进一步对天鹅绒阴极二极管发射电流的幅值特性和脉宽特性进行了初步研究。     

真空中典型沿面绝缘结构的电场分析

在高电压作用下,由复合绝缘介质构成的沿面绝缘结构的耐电强度远低于其绝缘材料自身的击穿场强,这一现象与其电场的分布特点密切相关。笔者针对真空中平行平板、平面和棒-板电极系统等多种典型沿面绝缘结构的电场分布进行了仿真计算,探讨了电极-介质结合处的间隙、圆台形绝缘子的圆锥角角度、平面电极的高度以及绝缘子介电常数等因素对电场分布的影响。仿真结果表明,接触间隙的存在导致局部电场的加强和电场方向的变化,间隙宽度越大、高度越小,间隙处电场畸变越大;圆锥角越大,绝缘子的介电常数越大,场强畸变也越大。该分析结果有利于真空中沿面绝缘结构的设计。     

优化绝缘结构提高有机材料真空沿面闪络特性的研究

从绝缘结构优化考虑提出了一种新的B/MB3层有机绝缘结构,通过控制B层介电常数来提高绝缘子的真空沿面闪络性能.以聚乙烯为研究对象,制备了B/A/B 3层有机绝缘结构,即聚乙烯基复合材料(炭黑半导电母料和聚乙烯)/聚乙烯/聚乙烯基复合材料的绝缘结构.通过实验发现,当B层介电常数在一定范围内变化,聚乙烯的真空沿面闪络性能得到了显著提高.同时采用数值仿真方法模拟了这种3层结构的电场分布,仿真结果表明这种结构通过改变B层介电常数调控绝缘子的电场分布可以有效地减小电极/绝缘予/真空3结合点处的电场强度,从而抑制了真空沿面闪络的发生.     

基于陶瓷-金属焊接的强流二极管绝缘结构设计

应用氧化铝陶瓷作为强流二极管中的绝缘体,实现金属化连接,是器件保真空的基础。为了提高强流二极管陶瓷界面的耐压强度,应用ANSYS有限元程序计算了陶瓷真空界面的电场分布,并根据沿面闪络理论和径向绝缘设计思想,结合具体封接工艺,提出了一种适合小尺寸陶瓷板的套封结构。数值模拟显示,该结构在400kV外加电压下,陶瓷沿面最大场强≤70kV/cm,阴极三结合点场强<30kV/cm;在水介质单线长脉冲加速器上对二极管进行了耐压测试,所设计的绝缘结构能够稳定耐受420kV、200ns脉冲电压,与理论计算比较相符。     

冲击电压下真空中固体沿面闪络的试验研究

在分析真空中沿面闪络放电机理的基础上,综述了真空中绝缘子表面闪络的各种主要影响因素。选用尼龙材料在真空条件下施加冲击电压,采用平面平行电极,开展沿面闪络试验。试验结果表明,当气压在3×10－3 Pa到9.4×10－2 Pa范围内时,绝缘材料闪络电压在8~12 kV波动;气压在2×10－1 Pa变化到4.5×10－1 Pa时,绝缘材料闪络电压骤降。由此可见,在3×10－3Pa到4.5×10－1 Pa范围内,随着气压的变化,闪络电压先有一个小的波动,后下降再上升的变化趋势。该结果为相关的研究工作提供了试验数据。     

真空中绝缘子的沿面闪络现象

阐述了影响真空中绝缘子沿面闪络的主要因素及其规律;介绍了有关真空中绝缘子沿面闪络机理的研究现状、主要假说及今后的研究方向和趋势。     

聚酰亚胺在低温真空环境下的直流电气特性

大型超导磁体等超导设备的绝缘系统是必不可少的一个重要部分,运行在液氦或液氮温区附近的绝缘结构失效是引起大型超导装置和设备故障的主要原因。利用自行研制的低温电介质电气特性测试系统,以聚酰亚胺材料为测试对象,研究了其在低温、真空环境下的直流击穿和沿面闪络特性。研究表明,与常温下相比,聚酰亚胺材料低温下的击穿场强有所提高,温度、厚度以及结构不同,其提高程度有所差异。聚酰亚胺材料的沿面闪络场强随着闪络次数的增加而略有增大,并趋于某一稳定值;温度对于首次闪络场强基本无影响,而对于稳定闪络场强,在78~200K范围内基本不变,在225~250K温度区域有所下降,此后又随温度的升高而上升。研究获得的低温真空下绝缘特性相关基础数据可用于低温真空放电特性的探索,为大型超导设备的可靠设计和运行提供参考。     

真空中绝缘材料沿面闪络实验研究的光学诊断方法

本文主要介绍了几种用于沿面闪络实验的光学诊断方法及其各自的特点 ,并给出了相应的实验结果和结论。     

吸附气体在真空绝缘沿面闪络过程中的作用

对纳秒脉冲(10/30ns)下真空绝缘闪络电压随气压的变化趋势进行了实验研究,结果表明当气压位于高真空区域(10?4Pa?10?1Pa)时,闪络电压与气压变化无关。分析认为,高真空条件下,背景环境气体分子平均自由程远大于极间距离,分子间碰撞电离已不可能发生。固体表面有大量吸附气体分子存在,吸附气体释放是导致闪络发生的关键。由于电子质量与分子质量间的巨大差异,气体分子脱附并非主要依靠电子能量和动量的直接转移,而是受到电子激励,从低能态被激发到高能态,进而克服固体表面位垒脱附到真空中。在初始电子激励下,气体脱附过程始于闪络发生之前。真空沿面闪络现象是一种在绝缘体表面气体脱附后形成一高气密环境中发生的贯穿性放电过程。     

真空中绝缘子沿面预闪络现象的研究

真空中绝缘子沿面闪络现象是制约真空系统电绝缘性能的一个重要因素。通过实时观察冲击电压作用下真空中绝缘子上的冲击电压波形,以及相应的冲击电流和绝缘子表面的发光信号,并在线测量真空中绝缘子的表面电荷分布,研究了高纯度Al2O3陶瓷绝缘子在真空中的沿面预闪络现象。研究结果表明,绝缘子预闪络现象与施加冲击电压的大小、施加次数等有关,同时,沿面预闪络现象也与表面电荷分布有关,根据试验结果提出了一种关于绝缘子预闪络现象的模型,该模型能够较好的用来解释真空中绝缘子沿面预闪络现象以及沿面闪络发展过程。     

高电压真空灭弧室触头间长间隙的真空绝缘特性

对高电压真空灭弧室触头间长真空间隙(40 mm及以上)的真空绝缘特性进行了讨论,包括击穿电压(直流电压,工频交流电压和标准雷电冲击电压)与触头开距的关系以及长真空间隙的老炼特性.目前对72/84 kV级高电压真宅灭弧室触头间隙范围(40mm及以上)的长真空间隙绝缘特性有了一定的了解,而126 kV级高电压单断口真空灭弧室触头问长真空问隙范围(60mm及以上)的绝缘特性研究还有待深入开展.     

空间电荷对油纸绝缘体击穿强度和沿面闪络的影响

换流变压器是直流输电工程的核心设备之一,其结构和工作状况比传统交流变压器更为复杂。针对换流变压器的特点,设计了相应的试验装置,初步对油纸绝缘中的体击穿和沿面闪络进行了试验研究。试验结果表明,极性反转现象同样存在于油纸绝缘系统中。即在直流电压下油纸绝缘中积聚的空间电荷畸变了周围的电场,导致油纸绝缘的直流击穿强度发生改变。同时,对油纸绝缘进行的沿面闪络试验表明,空间电荷的存在同样会影响油纸绝缘的沿面闪络。通过对上述试验结果进行讨论,发现传统交流变压器的设计理论和经验已不能满足换流变压器的要求,在换流变压器设计和制造中应给予空间电荷问题足够的关注。     

户外真空断路器绝缘强度的分析

应用ANSYS软件分析计算了支柱式12kV户外真空断路器真空灭弧室外表面的电场强度,得出在不同填充材料、气泡和不同外绝缘材料时的电场强度及分布曲线;分析得出不同条件对真空灭弧室外表面电场强度的影响,用以提高户外真空断路器灭弧室外表面的绝缘性能。     

复合绝缘子高压端输电导线安装绝缘护套的研究

提出在复合绝缘子高压端输电导线上安装一定长度的绝缘护套来改善其高压端电场强度的方法,并对该方法的原理和实施效果进行详细研究。建立污秽复合绝缘子干燥情况下在高压端输电导线加绝缘护套的物理模型,分析护套参数对实施效果的影响,得到了安装绝缘护套的理论依据。在此基础上,通过有限元仿真研究护套具体参数与复合绝缘子高压端电场改善效果的关系,并给出安装护套后可能出现的不利因素以及相应解决办法。最后,试验给出了均匀电场下绝缘护套的击穿电压与其厚度的关系;并以220 kV复合绝缘子为例,研究了安装绝缘护套前后复合绝缘子起晕电压和污闪电压的变化情况。试验结果证实了所提安装绝缘护套方法的正确性和可行性。     

高电压真空灭弧室触头间长真空间隙静态绝缘特性研究

在真空开关向高电压方向发展的背景下,高电压真空灭弧室触头间长真空间隙的绝缘特性成为关键问题之一。Slade提出了临界击穿场强理论,解释了真空中平板电极间直流电压临界击穿场强及其与开距的关系。笔者以临界击穿场强理论为基础,以126 kV真空灭弧室触头间隙为研究对象,将临界击穿场强理论应用于长真空间隙(开距60 mm)和交流电压(工频50 Hz)情况下,得到了高电压真空灭弧室触头间长真空间隙的工频临界击穿场强与触头开距的关系。     

真空绝缘沿面闪络场强相关影响参数分析

根据现有物理学理论推导得出的闪络场强Et和闪络电压Vt的表达式显示,影响闪络场强和闪络电压的物理因素有:初始电子的出射状态(出射动能A o、出射角度0)、绝缘材料介电常数ε、绝缘体表面吸附气体分子脱附系数γ、绝缘长度L、绝缘体表面单位面积的脱附气体分子数M、脱附气体离开绝缘体表面的速率Vgas等等.利用MathCAD绘图软件绘制出Et和Vt随绝缘长度的变化趋势图证明,两曲线变化趋势及量级与所得实验结果一致.实验研究也证明,随着绝缘长度的增加,真空绝缘沿面闪络场强呈下降趋势;应用二次电子崩理论分析真空闪络的发生发展机理是合理的.     

高海拔地区直流输电线路外绝缘特性研究

为给高海拔地区特高压直流输电线路绝缘子的选择及外绝缘的设计提供参考,在实际高海拔条件下采用恒压升降法详细研究了瓷、玻璃和复合绝缘子的直流污闪特性,其内容主要包括:不同悬挂方式和污秽分布情况对瓷绝缘子污闪特性的影响;2种大吨位玻璃绝缘子直流污闪特性的对比及550 kN玻璃绝缘子V串与I串污闪电压的比较;比较3类绝缘子直流污闪特性。试验结果表明:悬挂方式及污秽分布情况对瓷和玻璃绝缘子有较大影响;复合绝缘子的直流污闪特性明显优于瓷和玻璃绝缘子;爬电距离不是决定复合绝缘子直流污闪电压的唯一因素,合理优化复合绝缘子的伞裙结构可有效提高其单位绝缘高度的直流污闪电压。