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。     

脉冲电压下击穿时延分析

为方便有效地测量击穿时延,结合纳秒脉冲绝缘试验所得电压、电流波形,比较了几种测量方法的差异,研究结果表明,用击穿电流波形读取击穿时延最为有效和简便,由测量的击穿时延可判断击穿的特征与趋势。     

基于高能电子逃逸行为的纳秒脉冲放电特性分析

为研究ns脉冲激励下的气体放电现象,近年来基于高能电子逃逸引导放电发展的相关研究受到了广泛关注。利用上升沿15ns,半高宽30～40ns的重复频率ns脉冲激励极不均匀电场下大气压空气放电,将实验测量和理论计算相结合,研究了基于高能电子逃逸击穿的ns脉冲气体放电特性。实验结果表明高重复频率下仍可获得大面积均匀的弥散放电,放电中存在能量范围为10～130keV的X射线。理论计算结果表明施加120kV负极性脉冲条件下电场强度最高可达718kV/cm,高于大气压空气中产生逃逸电子的场强阈值,放电中X射线与逃逸电子有关。进一步对从理论上对ns脉冲气体放电特性进行探索,极不均匀电场下的场致发射为放电提供初始电子,其中能量较高的电子在气隙运动过程中发生逃逸,与气体分子碰撞产生二次电子,并辐射出X射线。逃逸电子与X射线共同作用,有利于获得大面积的弥散放电。     

常压下重频纳秒脉冲气体放电试验研究

气体介质在重频(PRF)纳秒脉冲作用下的绝缘特性是高重频脉冲功率技术研发的基础。采用SPG200重频纳秒脉冲电源，通过测量常压空气介质间隙(5、10、15、20mm)，在不同重复频率(1、10、100、500、1000Hz)、不同电压幅值(60、80、100kV)作用下的击穿电压、电流、击穿延时及耐受时间，研究了空气的绝缘特性。结果显示重频脉冲常压下空气的击穿场强比单次脉冲时低得多；随击穿场强的增大，击穿时延、重频耐受时间均有减小的趋势，高PRF时减小趋缓。低PRF下的放电发展过程与单次时的放电发展过程差别不大，而与高PRF下的不同。最后对纳秒脉冲下击穿时延及放电机理等进行了一些讨论。     

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。     

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。     

Impulse partial discharge and breakdown characteristics of rod-plane gaps in N/sub 2//SF/sub 6/ gas mixtures

Impulse partial discharge (PD) and breakdown (BD) characteristics of rod-plane gaps in N/sub 2//SF/sub 6/ gas mixtures were investigated for different gap geometry, gas pressure and SF/sub 6/ gas content. Experimental results revealed that the 50% probability breakdown voltage increased with gas pressure, which agreed with the theoretical values with consideration of discharge time lag for impulse voltage application. For the calculation of discharge inception voltage, the volume-time theory was successfully applied to the N/sub 2//SF/sub 6/ gas mixture. Furthermore, impulse PD light emission image was observed together with PD current pulse and light intensity waveforms. The long discharge with stepwise propagation and double-peak PD pulses could be observed, which corresponded to the streamer/leader transition leading to breakdown.     

大气压空气中纳秒脉冲弥散放电实验研究

为了能够在大气压下获得大面积高能量密度的低温等离子体,近年来弥散放电的研究与应用受到广泛关注。采用基于磁脉冲压缩系统的重复频率ns脉冲电源来激励大气压空气中尖板电极结构放电,通过电压电流测量和发光图像拍摄研究了弥散放电的特性。实验结果表明,在常温常压和高重复频率下能够获得大面积均匀的弥散放电,气隙距离增大或减小时,弥散放电分别向电晕放电与火花放电转换。重频ns脉冲放电存在极性效应,电极的小曲率半径处施加负脉冲时需要比正脉冲更高的电场强度才能获得弥散放电。此外,弥散放电的强度随着脉冲上升时间的增大而减弱。因此合适的气隙距离、极不均匀电场的强场处施加正极性脉冲和较陡的脉冲上升时间有利于获得较为强烈的弥散放电。     

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz~1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。     

空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电研究

大气压空气中均匀介质阻挡放电具有广泛的应用前景,实现均匀放电是介质阻挡放电应用关键之一,因而利用上升沿40ns,脉宽70ns的重复频率纳秒脉冲电源激励在大气压空气中产生介质阻挡放电,介绍了纳秒脉冲均匀介质阻挡放电的电特性和放电图像及放电发射光谱,获得了2ns曝光时间的高速摄影放电图像。发现空气中1mm气隙距离下可以实现均匀放电,气隙距离增加至4mm时放电转变为明显的丝状放电,通过观察发射光谱显示等离子体谱线主要是来自400nm以下的氮分子第二正系。结果证实了大气压空气中利用ns脉冲激励可以产生稳定介质阻挡放电,且能实现均匀放电,是典型非平衡态低温等离子体。     

不同气压和电极间距对开关绝缘恢复的影响

为缩短脉冲加速器多脉冲运行时脉冲间隔以及提高重频运行时重复频率,利用多脉冲调制器研究了气体开关的重复频率特性以及在相同电极间距、不同气压下(0.5、1、1.5、2MPa)氮气气体开关的绝缘恢复特性。实验表明,随着气体压强的增加,气体的绝缘恢复时间变长,击穿电压恢复>90%的间隔时间,从50ms增加到78ms;开关间距的改变对绝缘恢复时间影响有限,不同间距(7.3,27.4mm)下其击穿电压恢复>90%时间约为50ms。最后针对相关文献给出的结果,对压强、电极间距对绝缘恢复的影响进行了分析讨论。     

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。     

纳秒脉冲表面滑闪放电的电气和光学特性

为了研究纳秒脉冲表面滑闪放电特性,本文采用一种新型三电极结构的激励器,通过纳秒脉冲叠加负直流的混合激励模式产生表面滑闪放电。实验研究了电压脉冲分量、电压直流分量及两者的差值对纳秒脉冲表面滑闪放电特性的影响。实验结果表明,当脉冲电压幅值固定时,直流电压幅值的改变对脉冲侧电流的影响较小,但对直流源侧电流却影响显著,直流源侧电流随直流电压幅值的增加而增加,发生表面滑闪放电后峰值和速度均增加。直流电压幅值越大,直流源侧电流出现时刻越早。当直流电压幅值固定时,脉冲侧电流和直流源侧电流均随着脉冲电压幅值的增加而增加。实验中存在一个电压阈值(脉冲分量和直流分量电压差值)使纳秒脉冲表面滑闪放电发生,该阈值为22k V。此时发生表面滑闪放电,瞬时功率峰值、单脉冲能量峰值和稳态能量均迅速增加。脉冲直流电压差值相同时,脉冲分量主导脉冲侧电流的大小,直流分量主导直流源侧电流的大小,脉冲分量所占比例的大小对功率和能量损耗的影响较大。此外,利用数码相机拍摄放电图像研究了纳秒脉冲表面滑闪放电的光学特性,放电图像表明,在电极间施加合理的脉冲电压和负直流电压均可产生表面滑闪放电,实现等离子体的拉伸效果,在阻挡介质表面获得大面积的等离子体。     

A new partial discharge detection method for live UHV/EHV cable joints

Partial discharge (PD) detection on live UHVEHV power cables and accessories is one of the most important techniques to prevent cable systems from serious difficulties caused by slight errors in joining the cables. A new PD detecting method is proposed in this paper. A resonance-type partial discharge (REDI) sensor is developed for detecting PD occurring inside the joints of live XLPE insulated cables. This sensor picks up the high-frequency components of PD current pulses on the surface of live cables, hence the output signals can clearly be observed at the noiseless area (for example, 10-60 MHZ). This new method was applied to the initial ac breakdown tests with three different types of joints of UHV/EHV power cables. The PD pulse sequence was detected before their breakdown in all cases. The charge quantity and the number of pulses increased tremendously just before the breakdown. In addition, the phase of PD pulse against the applied voltage (?-q characteristics) changes with time or with the progress of deterioration. According to these experimental results, the REDI sensor can be applied to the insulation diagnosis of live power cable joints.     

纳秒脉冲表面放电等离子体影响因素的实验研究

在大气环境条件下,以环氧为介质阻挡材料,基于单极性ns脉冲电源进行了表面介质阻挡放电实验,研究了电压幅值、电极宽度、电极间距和重复频率对放电等离子体的影响。结果表明ns脉冲表面介质阻挡放电是丝状放电,放电发生在电压脉冲的上升沿阶段;放电电流主要包括两部分脉冲,与放电丝分布的均匀性有着一定的内在关系,外加电压对放电的均匀性以及产生等离子体的长度起作用;电极宽度和间距对放电电流和产生等离子体的发光强度影响不大,电极宽度和间距越小,放电丝分布越均匀,电极宽度存在一个最优值,使得激励器的放电稳定且产生等离子体相对均匀;脉冲重复频率仅对等离子体强度起作用,对放电特性的影响较复杂,不同电极参数下这些影响与放电丝的分布状态有关。     

The influence of pressure and conductivity on the pulsed breakdownof water

The influence of hydrostatic pressure and liquid conductivity on the dielectric breakdown of water solutions subjected to high amplitude electric fields of sub-microsecond duration has been investigated. Well-defined pulses (80 kV, 3 ns risetime, 100 ns duration) have been applied to a gap (0.4 to 2.1 mm), between Rogowski profile electrodes (thus ensuring a uniform electric field), containing de-ionized water (non-distilled, and distilled and ultrasonically treated), sodium chloride solutions (0.001 to 1.0 molar), or magnesium sulfate solutions (0.01 to 0.1 molar). Breakdown in these liquids has been studied at pressures from atmospheric up to 40 MPa. The inter-electrode potential and the current response were measured indicating the time lag to breakdown, breakdown voltage, and temporal characteristics of the breakdown process. The breakdown time lag increases with increasing pressure, and is insensitive to the liquid conductivity. These findings have relevance to the ongoing discussion concerning `thermal' vs. `electronic' mechanisms for dielectric breakdown in liquids. In particular, the results suggest that breakdown evolves via `bubble' formation by field emitted currents near asperities on the cathode, and that the time for the change in liquid conductivity as a result of breakdown is limited by processes other than ionization growth (due to electron impact ionization of molecules in the `bubble') of prebreakdown electron currents     

Effects of Low Pressure on Tracking Failure of Printed Circuit Boards

In general, printed circuit boards (PCBs) used in power devices and system operation in low pressure environments are more susceptible to damage from surface discharges. Additionally, repetitive operation of power systems is an important factor leading to tracking failure. Whether the tracking phenomenon at low pressures is different from that at atmospheric pressure needs better understanding to ensure reliable applications. In this paper, studies of tracking failure of PCBs in a low-pressure chamber, are reported for an electrode configuration comprising a pointed end of track close to the side of a track. Test samples were made by printing these tracks onto a glass-cloth epoxy-resin laminate. Experiments were carried out using repetitive unipolar pulses to simulate voltage surges. The ambient pressure was reduced from atmospheric pressure to a very low pressure (0.6 kPa). The time to failure and the cumulative charge passing before failure were recorded as function of the pressure, temperature, pulse interval and insulation distance. The results obtained indicate that the low pressure enhances the breakdown endurance of PCBs and the breakdown phenomena at low pressure are different from those at atmospheric pressure. With the decrease of the pressure, the cumulative charge is increased but the tracking failure is delayed. At low pressures, increasing temperature has little effect on the cumulative charge, but has significant influence on the time to tracking failure.     

基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述

激发大气压脉冲等离子体通常对施加脉冲的要求是k V级幅值、ns级前沿和宽度、k Hz级重复频率,尤其要求脉冲前沿和宽度尽量小,雪崩三极管脉冲产生电路非常适合于这样的要求。本文综述了基于雪崩三极管的脉冲产生方法。首先介绍了雪崩三极管的基本原理和研究概况,进而介绍了多管串联电路、多级Marx电路、多管并联电路以及脉冲截断电路四种典型电路结构的研究现状,分析了各电路的性能特点,并以多级Marx电路为例理论分析了影响输出脉冲幅值、前沿、后沿、脉宽、重复频率、效率和稳定性等参数的关键因素。最后介绍了多管串联Marx电路、多管并联Marx电路以及多路Marx并联电路三种组合型脉冲产生电路的研究进展,并对基本原理进行了分析。     

重频高压ns脉冲电源关断保护电路的设计及应用

由于重频ns脉冲电介质击穿试验中持续时间过长的大幅值短路电流会对设备造成损害,因此设计了一种用于高压ns脉冲电源的关断保护电路。试验时根据电流的变化来判断击穿的发生并作为触发信号,关断保护电路将示波器的触发反馈信号转换成脉冲控制信号来实现击穿后电源的自动关停。将所设计的电路用于重频ns脉冲PTFE击穿试验中,验证了电路的有效性。利用该关断保护电路和示波器组成的测量系统测量了重频高压ns脉冲条件下PTFE击穿的电压电流波形和重频耐受时间,测得重频耐受时间204ms。结果表明该测量系统误差为22μs,可以满足40kHz重复频率以下的ns脉冲固体击穿试验的要求。