重频纳秒脉冲电压下聚酰亚胺薄膜层叠结构的绝缘特性

为提高脉冲功率技术中绝缘结构的绝缘性能,延长设备使用寿命,研究了重频纳秒脉冲电压作用下,多层绝缘薄膜层叠结构的绝缘特性,采用上升时间为115 ns、脉宽为225 ns的重频源,在重复频率为1 kHz的条件下,对比了不同厚度和层叠数的聚酰亚胺单层膜和多层膜的短时击穿场强和长时耐受脉冲数,建立了重频纳秒脉冲电压下1500万次以内的电老化单因子寿命模型。试验结果表明层叠结构有利于提高聚酰亚胺的绝缘强度,快速击穿场强最高增大45.44%,这是由于层叠结构减小了单层绝缘厚度,单层绝缘的击穿场强随厚度的减小而增大。耐受脉冲电压数也明显提升,并且总绝缘厚度相同的情况下分层数越多,快速击穿场强越高,同时耐受脉冲数也越多。耐受脉冲电压数与场强满足指数关系,这为场强的选择和绝缘结构设计提供了依据。     

同轴圆柱形电极下土壤冲击特性的试验研究

了解土壤的冲击特性是研究雷电流冲击下接地装置周围土壤火花放电现象的关键,同时也是输变电工程雷电防护的基础。通过试验研究了土壤水分含量、冲击极性等对土壤放电时延、50%冲击击穿电压和击穿场强的影响规律,并测试了不同水分含量下的土壤电阻率。试验结果表明:土壤电阻率随水分含量的增大而减小;放电时延随土壤水分含量的增大而减小;相同水分含量下,放电时延随击穿电压的增大而减小,随冲击电流波前时间的增大而增大,且负极性的放电时延比正极性大。而当土壤水分含量较低时,50%冲击击穿电压随着土壤水分含量的增大而减小,对应的击穿场强亦如此,且明显低于均匀空气击穿场强30 kV/cm,同时正极性50%冲击击穿电压比负极性低。     

基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲源的研究

为可靠驱动重复频率纳秒脉冲放电,研究设计了一款基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲电源,可输出幅值可变,脉宽数十至数百纳秒的准方波脉冲。在本研究的实验条件下,输出脉冲的最高有效工作频率可超过1.5k Hz。该电源采用脉冲形成线原理产生高电压纳秒脉冲,开关采用同轴结构的吹气式自击穿气体开关,风机吹气用于加快气体开关的绝缘恢复速度,进而提高气体开关的极限工作频率。实验结果表明:在不加吹气风机时,气体开关绝缘恢复情况较差,存在多次低电压击穿过程,故脉冲形成线越短,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限越低;使用吹气风机后,开关的多次低电压击穿现象在一定程度上被抑制,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限随脉冲形成线长度的缩短而增大;且风机风速越快,气体开关绝缘恢复越好,纳秒脉冲电源的有效工作频率越高。最后用此重复频率纳秒脉冲电源成功驱动了平行板结构的介质阻挡放电模块。     

均匀电场重频脉冲作用下的水中气泡击穿

均匀电场重频脉冲作用下处理室放电问题是高压脉冲电场(pulsed electric field,PEF)技术遇到的难题。目前现有水中空气泡的击穿研究无法说明这种平均电场强度较低(<70 kV/cm)的情况下的击穿现象。为了解决这一问题,设计了金属平板电极与水溶液电极间的气体击穿实验,利用等效实验研究了有水溶液电极的大气压下短间隙(<1 cm)的气体击穿现象。通过实验得到了液体做电极的空气气隙的击穿电压,证明了阴极种类以及重频脉冲参数对击穿电压的影响,得到了均匀电场作用下水溶液中气泡的内部电场与气泡形状参数和气液介电常数的关系式。研究结果表明PEF处理室的完全击穿是由水溶液中的气泡击穿所引起的,受阴极二次电子发射系数γ的影响,并预测了水中空气泡击穿场强,为合理设计PEF处理室提出重要参考依据。     

基于TDS示波器的高压纳秒脉冲信号的测量

在进行重复频率脉冲下气体绝缘放电试验过程中,高压纳秒级的脉冲电压及电流信号的测量是分析气体绝缘特性的关键之一,同时重复频率下击穿所需时间也值得关注。利用TDS684A和TDS3054B实现了高压纳秒级的脉冲电压、电流信号的测量,及电压电流包络线的测量,同时利用这两种型号的示波器实现了重频下击穿的耐受时间的测量,并基于Wavestar软件对波形再处理,及导出波形数据实现数字信号处理。     

纳秒脉冲介质阻挡放电特性及其聚合物材料表面改性

介绍了大气压空气下纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)的特性及其对聚酰亚胺(PI)材料表面进行的亲水性改善。利用单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,通过电气特性测量和发光图像拍摄研究了纳秒脉冲DBD的特性,获得了均匀模式的放电,并分析了气隙距离对放电特性和均匀性的影响。利用大气压下均匀放电改性PI薄膜表面,对改性前后的薄膜表面进行水接触角、表面形态和表面成分分析,并与丝状放电的改性效果进行了比较。结果表明单极性纳秒脉冲DBD电流呈双极性,放电电流、介质电压和瞬时功率等随气隙距离的增大而减小,窄间隙条件下易获得均匀放电。经DBD处理后PI表面粗糙度明显增加,静态水接触角明显减小,亲水性含氧基团被引入,从而改善了薄膜表面亲水性,且均匀放电比丝状放电处理效果更为显著。     

120kV下重频纳秒脉冲气体击穿特性研究

在120kV的重复频率(10Hz,100Hz,500Hz,1000Hz)脉冲高压下,研究了干燥空气在平板间隙(5～15mm),气压(0.1～0.5MPa)下的击穿特性.得到了击穿时延、重复频率耐受时间、施加脉冲个数等与重复频率的关系,并观察到相关的发光现象.结果表明经典的流注击穿判据不符合重复频率脉冲下的击穿,高重复频率下的击穿与低重复频率下的击穿不同.重复频率的纳秒脉冲下的击穿需要考虑受激粒子、残余电荷等在放电过程的影响.亚稳态受激粒子、空间残余电荷的积累效应产生大量的初始电子,从而气体击穿是大量初始电子引燃,多弧道的击穿.     

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究

为了实现大气压空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电(DBD),利用上升沿15ns,半高宽30～40ns的正极性纳秒脉冲激发DBD,并由电压电流和放电图像研究DBD的特性,分析均匀放电实现的条件和特征。实验结果表明放电电流呈双极性,且电气参数要比交流及微秒脉冲DBD的高,在一定条件下可获得均匀模式放电。通过重复频率和气隙距离对放电均匀性的影响研究发现,2mm空气间隙中,双层介质阻挡时重复频率对放电均匀性影响不明显,但当间隙距离从2～8mm延长时,放电明显由均匀模式向丝状模式过渡。此外,对纳秒脉冲DBD放电均匀性与施加脉冲上升沿的关系进行了探讨。     

纳秒级高压脉冲下绝缘击穿特性的研究

研究了液体和固体绝缘材料的击穿特性 ,通过蓖麻油、变压器油、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜的击穿实验的波形处理和分析 ,说明了击穿电压与脉冲陡度、脉冲宽度和作用时间的相互关系 ,相对于直流、慢过程条件下绝缘击穿特性 ,纳秒级快脉冲下绝缘材料的击穿场强会大幅提高 ,其击穿场强随脉冲缩短而提高 ,但作用减小。给出了一些具体的绝缘材料击穿值     

高压纳秒脉冲气体放电试验研究进展

按时间顺序综述了纳秒脉冲下气体放电的试验研究结果,简述了几种纳秒脉冲下放电机理假说,并总结了相关的经验公式。目前,重频纳秒脉冲下气体放电的试验研究有较多空白,有必要开展此项研究。     

纳秒脉冲气体放电机理研究现状

针对脉冲功率技术一基础研究领域即ns脉冲下电介质击穿机理 ,详析了几种放电机理假说 (包括经典流注机理、电子崩链模型、逃逸电子模型、气体开关模型等 ) ,指出重频ns脉冲下气体放电试验及机理值得研究。     

纳秒脉冲下SF6气体放电特性

随着电力系统电压等级的提高,特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)对气体绝缘变电站(gas insulated switchgear,GIS)的安全稳定运行产生了越来越严重的威胁,为了提高设备运行的安全稳定性,促进设备小型化,需要深入分析VFTO下SF6气体的绝缘特性。因而该文利用基于半导体断路开关(SOS)的ns脉冲源SPG 200N的输出电压模拟VFTO波形的快速上升过程,黄铜板-板电极模拟GIS内的均匀场,研究了ns脉冲下SF6气体的放电特性,得到了重频耐受时间、施加脉冲个数等与重复频率的关系。实验结果表明,重频耐受时间随着脉冲重复频率的提高而降低,但击穿前所施加的ns脉冲个数与重复频率的关系比较复杂。随着气压的升高,临界击穿场强与气压的比值E/p有所下降,但在该文研究范围内其值仍高于理想状态下稳态电压对应的单位气压下临界值88.5kV/(mm.MPa)。获得的SF6放电特性为进一步明确VFTO下SF6气体的放电机理提供了实验依据。     

ns脉冲液体介质击穿实验研究综评

介绍了目前液体介质击穿研究的实验内容(电压极性、电压波形、外界静态压力等)、实验方法(电学与光学结合)、研究成果(经验公式、击穿机理);指出单次ns脉冲击穿的电压脉宽窄(ns级)、击穿电压幅值高,重频ns脉冲电压击穿下液体介质的电场累积效应(极化效应)显著,这些ns级液体介质击穿的特点有助于揭示液体介质击穿的本质特性。结合研究成果讨论了窄脉冲电压液体介质击穿的概率与击穿机理。     

Breakdown Phenomena in Nitrogen Due to Repetitive Nanosecond-pulses

Nanosecond-pulse breakdown indicates special characteristics depending on the pulse rise-time and duration. Based on a repetitive nanosecond-pulse generator, breakdown phenomena of parallel-plane gaps in nitrogen were investigated with single pulse and repetitive bursts under different gap conditions. The relationships between applied voltage, pulse repetition frequency, breakdown time lag, repetitive pulse stress time and the number of applied pulses are presented. The curves regarding E-field strength, breakdown time lag and gas pressure are also obtained. The experimental results show that breakdown characteristics with repetitive nanosecond-pulses are different from that with single pulse. Repetitive nanosecond-pulse breakdown is concerned with the accumulation effect that is attributed to residual ions and metastable species survived from previous pulses. In addition, a modified empirical formula about E-field strength, breakdown time lag and gas density is given for the breakdown data.     

Measurement of the electric breakdown strength of transformer oilin the sub-nanosecond regime

The dielectric strength of highly purified insulating transformer oil has been measured in the sub-nanosecond regime under single pulse and repetitive burst conditions. Single pulse breakdown fields have been measured to be 11 MV/cm. Repetitive bursts to 1 kHz reduce the threshold field value by a factor of two, with lower breakdown fields recorded at a 1.2 kHz repetition rate. The high-pressure hydrogen source provides a 130 ps risetime and a 1 MV peak amplitude at repetition frequencies to 1.2 Hz. An experimental setup was used which permits the breakdown of the oil spark gap while protecting the high power source in case of total wave reflection, at the cost of excitation source fidelity. The breakdown electric fields are measured with self-integrating electric field sensors and an advanced diagnostic system which uses Fourier compensation to measure the fast risetime of the ultra-wideband pulse accurately. The anomalously high breakdown voltages measured with high power ultra-wideband sources compare favorably with Zheltov's prediction of the breakdown strength for sub-nanosecond pulse duration. The anomalously high field strengths permit the design of ultra wide band (UWB) high power microwave (HPM) sources with a reduced geometrical inductance which can result in significantly faster HPM UWB sources     

高频纳秒脉冲串作用下皮肤肿瘤热效应的多参数有限元仿真与实验

为综合传统微秒脉冲电场和纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优点,提出一种高频纳秒脉冲串的脉冲形式来治疗肿瘤。研究此高频纳秒脉冲串在生物组织中产生的热效应,并通过多参数有限元方法对施加镊子电极的皮肤黑色素肿瘤的温度以及热损伤进行仿真。施加的电场强度范围为1~10k V/cm,脉宽范围为50~500ns,脉冲串内重复频率介于100k Hz和1MHz之间,一串脉冲的长度为100μs,脉冲串重复频率为1Hz。对于皮肤肿瘤,施加电场强度5k V/cm、脉宽500ns、脉冲串内重复频率1MHz的脉冲,1s后肿瘤的最高温度仅为37.4℃,热损伤可以忽略不计。对不同电场强度、脉宽、重复频率下皮肤黑色素肿瘤的温度和热损伤进行仿真计算,研究肿瘤温度以及热损伤与脉冲参数的关系,并确定使肿瘤不发生热损伤的脉冲参数范围。对裸鼠在体黑色素肿瘤的温度进行实测,肿瘤的温升结果与仿真中的平均温度变化较为一致。     

百纳秒脉冲下水压对水开关击穿特性的影响

以俄罗斯西伯利亚研究院通过实验总结出的液体介质气泡击穿理论的全新阐述作为理论基础,开展了300 NS短脉冲下高压强水介质开关的击穿实验,获得了该条件下水介质击穿场强及耐压时间与水中压强关系的数据。结果表明在300 NS脉冲电压实验平台下,当水介质场强变化率为2~3 MV/CM时,水介质击穿电压和耐压时间均随着水中压强的提高而呈上升趋势,且趋势越来越显著。     

变压器油基础油烃组成与其脉冲击穿电压和电阻率的关联性研究

针对脉冲功率装置的Marx脉冲发生器绝缘用油的特点,开展了变压器油基础组成与其电阻率和脉冲击穿电压大小的关联性研究。结果表明:在直流电场下,温度与电阻率的大小成反比关系,变压器油的芳烃含量是影响其电阻率的关键因素。在正负性脉冲电场下,不同芳烃含量的变压器油表现出极大的差异性,在高压负脉冲电场下,变压器油的芳烃含量是影响其脉冲击穿电压的主要因素,芳烃含量的高低与负脉冲击穿电压的大小成反比关系。     

用于产生非平衡等离子体的纳秒级脉冲电源研制

为了给非平衡等离子体相关实验提供ns级高压脉冲,研制了一台基于传输线变压器(transmission linetransformer,TLT)原理的高压重频ns脉冲电源,通过在传输线外套加磁环增加二次阻抗,提高TLT的输出电压和能量传输效率。同时设计了一种电容-开关-传输线的紧凑化同轴结构。实验表明,在连接匹配负载条件下,电源输出脉冲电压峰值可以达到26kV,脉宽100ns,上升时间25ns,可在500Hz频率下稳定运行。同时成功地将其应用于大气压氩气等离子射流实验,发现与正弦电压相比,相同电压峰值下,脉冲电源作用下的等离子体射流长度更长,但2种电源作用下的射流长度均出现饱和现象,同时电源频率对射流长度无明显影响。