用于激励固体绝缘缺陷的SOS型高压重频纳秒脉冲电源的研制

为了对固体缺陷材料进行局部放电检测,文中研制了一台基于半导体断路开关(semiconductoropening switch)的高压重频纳秒脉冲电源,作为激发固体绝缘缺陷在重频下产生局部放电的激励源。纳秒脉冲电源由初级谐振充电单元、磁脉冲压缩单元和半导体断路开关(SOS)三部分构成。介绍了纳秒脉冲电源各部分的设计,给出了纳秒脉冲电源的调试波形。调试结果符合设计要求,在620Ω电阻负载上产生幅值30 kV、前沿30 ns,半高宽110 ns的脉冲电压波形。纳秒脉冲电源连续运行重复频率1 kHz,间隙工作重复频率最大10 kHz。搭建局部放电检测平台,纳秒脉冲电源成功用于试品的局部放电检测,重频下试品放电重复性好。     

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。     

基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器,结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术,研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理;介绍了相关固态开关的控制时序及其"截波"策略,以此实现50~100 ns的方波脉冲脉宽可调;阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理;并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终,在50Ω负载下的纳秒脉冲电压参数:幅值0~2 k V可调、脉宽50~100 ns可调、重复频率0~1 k Hz可调,上升时间约20 ns;此外,测试了500Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。     

纳秒脉冲下变压器油绝缘的击穿与闪络特性

纳秒脉冲下变压器油的绝缘特性是脉冲功率技术领域的关键问题之一。为此,利用NPC-120D型高压纳秒脉冲电源对该特性进行了实验研究,分别获得了1 mm间隙下变压器油的击穿和有机玻璃沿面闪络的实验数据。并采用等离子体射流对有机玻璃进行表面改性,比较了改性前后有机玻璃的沿面闪络电压。结果表明:在上升沿40 ns,脉宽100 ns的高压纳秒脉冲电源作用下,变压器油中1 mm击穿电压为120 kV,当加入绝缘介质有机玻璃后,在85 kV电压条件下发生了沿面闪络;利用等离子体射流处理后的有机玻璃在变压器油中的闪络电压显著提高,达到了120 kV。     

基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计

重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动,研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。磁心电感越大、外径与内径之比越大,且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法,进一步提高输出电压。整体脉冲源可以在50~300Ω负载产生2~14k V,高阻负载产生4~25k V,前沿3.8ns,脉宽7~15ns,重复频率0~10k Hz的重频纳秒脉冲电压,装置结构紧凑,参数调节灵活,方便携带。     

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。     

基于纳秒脉冲电压的固体绝缘材料缺陷检测

文中搭建了重复频率纳秒脉冲电压下局部放电检测平台,输出电压幅值30 k V、脉冲前沿100 ns,半高宽120 ns,重复频率最大10 kHz。在纳秒脉冲电压激励下,试品中的缺陷产生局部放电,局部放电的次数与所施加脉冲数一致,放电重复性好,放电量和局部放电起始电压易于统计,局部放电参量便于提取;连续脉冲下,可以通过试品放电量的变化过程来判断试品缺陷的发展情况。因此,纳秒脉冲电压可用于试品的绝缘缺陷检测,有助于开展固体绝缘材料在局部放电作用下破坏过程和机理的研究。     

基于快Marx发生器的紧凑型重频脉冲驱动源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲驱动源。采用低功率电源(比如30 V电池)作为初始能源,重频高压充电电源集成大容量超级电容,可脱离外部电源重频对Marx发生器充电至100 k V,结合对高压充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现Marx发生器的重频高功率多脉冲输出;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计,最高建立电压800 k V、额定储能1.6 k J;高压充电电源和脉冲触发源采用真空灌封绝缘胶等紧凑设计,全系统集成后外形尺寸约0.9 m×0.45 m×0.45 m。在实验中获得了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压400 k V、电流21 k A的连续多脉冲输出,为研制更高性能的小型化重频脉冲驱动源奠定了基础。     

纳秒脉冲下有机玻璃电树枝老化特性研究

介绍了有机玻璃(PMMA)在纳秒脉冲作用下电树枝引发和生长的规律现象。采用压紧针电极与绝缘样品接触、多针并列式的方法制备实验试样,绝缘样品(有机玻璃)加工为120mm×5mm×2.5mm的长方条。实验使用产生30ns上升沿和70ns脉冲宽度的负脉冲固态纳秒脉冲发生器MPC50D作为激励源,在25℃的条件下,施加100Hz的重复频率脉冲,设定初始电压,逐级升压,直至引发电树枝后停止升压,记录电树枝引发电压,观察电树枝生长特点及现象。实验发现PMMA中电树枝出现裂隙状破坏,经过分析讨论,认为是力作用导致的结果。实验中还观察到电树枝生长速度极快的现象,从电树枝引发到击穿只需几秒钟。通过研究证明绝缘油浸入导致了电树枝生长加速,深入讨论分析了绝缘油浸入促进电树枝快速发展的原因、机理及抑制方法。     

纳秒脉冲圆台形绝缘体真空沿面闪络特性实验研究

实验研究了纳秒脉冲(10／30ns)下圆台形绝缘体真空绝缘沿面闪络特性,结果表明锥角变化对闪络电压影响显著,45°锥角时闪络电压最高。与圆柱形绝缘体相比,脉冲电压下,±45°圆台形绝缘体闪络电压增幅较大,且脉宽越窄,增幅越大;直流和交流电压波形下,圆台形闪络电压增幅较小。分析认为,45°锥角时阴极三结合点处电场减弱幅度最大,初始场致发射电子数量受到抑制,电子沿绝缘体表面的倍增过程较难实现。预闪络期间直流、交流电压下正离子有时间积累起足够多的能量参与碰撞电离。而纳秒脉冲闪络过程中正离子数纳秒时间内积累起的能量非常有限,作用忽略不计。闪络电压与电压随时间的上升速率有关,纳秒脉冲电压上升速率极快,对应放电时延的电压增幅较大,因此纳秒脉冲闪络电压高于其它电压波形。     

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。     

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。     

脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究

电力电子装备长期处于高重复频率、陡上升时间脉冲电压运行工况,绝缘更容易发生劣化和早期失效。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理,对ns级别下的脉冲边沿前后空间电荷分布情况进行研究对比,探究了电场强度、硅油对脉冲边沿时刻电荷振动波形的影响。通过分析不同脉冲上升时间下的电荷振动波形及电压波形频谱、电荷积聚特性,阐明了脉冲电压边沿时刻电荷振动机理以及ns脉冲下电荷行为对绝缘劣化影响机理。研究发现,ns脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性存在差异,在脉冲边沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为;电场强度会影响异极性电荷的积累速度及积累量,从而影响电荷振动波形的形状;电极与试样之间涂敷硅油会影响电荷振动波形的极性;5×106～1×107 Hz频段的电压分量对空间电荷振动起主要作用;ns脉冲电压下电荷积聚导致电场畸变更加严重。     

纳秒脉冲下温度、频率对尼龙6电老化的影响

尼龙6作为绝缘材料经过长时间运行后,绝缘性能会受老化的影响而劣化。目前对此类绝缘材料的研究多集中在常温和工频下,在ns脉冲条件下的研究较少。为了研究温度、频率对尼龙6中电树枝引发的影响,实验采用了固态ns脉冲发生器MPC50D为激励源,其具有30 ns的下降沿和70 ns的脉冲宽度;使用温度循环实验箱SP-80U控制实验温度。实验的温度设定为-40~60℃,频率设定为20~1 500 Hz。实验结果表明:温度对尼龙6中的电树枝引发电压有明显的影响,随温度的升高电树枝引发电压下降明显;频率对电树枝的影响并不明显,只在200 Hz以下出现了较明显的趋势;尼龙6、聚四氟乙烯(PTFE)和有机玻璃(PMMA)中的电树枝形态差异巨大,尼龙6中为丛林形,PTFE中为树枝形,PMMA中为层裂形;ns脉冲下击穿通道出现了放电引发的扇形结构。实验数据为尼龙6在ns脉冲下的绝缘应用提供了参考。     

基于特斯拉变压器的重频脉冲源输出特性分析及优化

特斯拉变压器型脉冲源是国内外脉冲功率研究领域的热点之一,由于其工作频率较低,而提升成本过高,限制了其在脉冲功率等高新技术领域的应用。该文基于螺旋线型特斯拉变压器的脉冲源样机,提出一种提升特斯拉型脉冲源重频工作能力的方法,分析该脉冲源脉冲形成过程,并将其分为充电电压上升、晶闸管关断和变压器谐振放电三个阶段,经过测试可知脉冲源变压器谐振放电时间是影响其频率提升的主要因素。基于上述研究进行脉冲形成过程不同阶段下的优化设计,调节外电路参数加快充电上升时间,分析晶闸管工作原理并对其关断时间进行优化,改变电路结构缩短其谐振放电时间。调节失谐系数可有效地提高脉冲源的输出电压比和能量效率等关键性能指数,在保证稳定工作的前提下,通过优化电路结构和谐振放电时间加强了脉冲源重频工作能力,最终可实现脉冲源为输出电压0～20kV,输出电压比123,能量效率64%,上升沿30ns,频率0～1kHz可调的纳秒脉冲发生装置。进而促进后续特斯拉型脉冲源的结构紧凑化及其在实际工程中的应用。     

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。     

纳秒脉冲真空绝缘沿面闪络机理研究

汇总了纳秒脉冲真空绝缘沿面闪络实验研究结果,实验表明,不同电压波形作用下闪络场强存在较大差异.纳秒脉冲闪络场强显著高于其它电压波形.分析认为纳秒脉冲闪络是一个不断向平衡状态逼近的过程,基于电子激励解吸附原理的二次电子崩理论(SEEA)适用于分析纳秒脉冲真空闪络问题.在纳秒脉冲闪络发生的微观过程中,阴极三结合点场致电子发射是真空闪络发生的必要条件,二次电子崩过程是闪络发展的必备环节.闪络过程在绝缘体表面脱附气体层中完成.     

重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘局部放电起始电压影响研究

重复脉冲电压下绝缘局部放电起始电压(PDIV)测试是评估低压变频电机绝缘性能的主要手段。为得到客观的PDIV测试结果,必须研究重复脉冲参数对PDIV的影响规律。利用重复脉冲电压下的局部放电测试系统,研究了20 ns、40 ns、60 ns和1μs 4种上升时间下变频电机匝间绝缘PDIV的统计特性。结果表明:重复脉冲上升时间处的过电压是PDIV测试结果偏高的主要原因,20 ns上升时间下测得的PDIV比基本无过电压的重复脉冲PDIV测试结果高约30%,这是因为持续时间较短的过电压幅值虽超过了实际PDIV,但由于缺少激发电子崩的初始电子,未发生局部放电。在对变频电机绝缘进行PDIV测试时,应充分考虑重复脉冲上升时间处过电压对测试结果的影响。     

微/纳秒脉冲电场靶向不同尺寸肿瘤细胞内外膜电穿孔效应研究

为深入研究细胞物理特性对微/纳秒脉冲电场诱导的电穿孔效应差异,以三种不同细胞大小及两种不同细胞核大小的肿瘤细胞为研究对象,基于其细胞几何特征建立1:1五层介电及电穿孔数值模型,并观察其在微/纳秒脉冲电场作用下细胞内外膜的荧光消散情况,对微/纳秒脉冲电场诱导细胞内外膜电穿孔效应进行对比分析,研究微/纳秒脉冲电场靶向作用于不同几何尺寸细胞的敏感性差异机理。结果表明,在90个脉冲宽度为100μs、电场强度为1.5kV/cm的微秒脉冲作用下,细胞尺寸越大,细胞外膜穿孔区域、孔密度和荧光消散程度也越大,即诱导的细胞膜电穿孔效果更强。在80个脉冲宽度为400ns、电场强度为15kV/cm的纳秒脉冲作用下,细胞核尺寸越大,其细胞核膜的穿孔区域、孔密度和荧光消散程度也越大,即诱导的细胞核膜电穿孔效果更强。因此,微/纳秒脉冲电场对肿瘤细胞的作用靶区及尺寸大小具有明显的选择性。该研究可为消融不同肿瘤所需的脉冲电场参数提供数据参考与理论支撑。     

重频纳秒脉冲下有机玻璃电树枝老化特性的实验研究

介绍了高聚物绝缘材料中电树枝老化的现象、影响因素及研究现状。进行了重频(~300Hz)纳秒脉冲(半高宽70ns)下有机玻璃电树枝老化特性的试验研究。实验施加负电压。主要研究了在不同频率下、不同电场强度条件下有机玻璃中电树枝生长速度和生长形态。实验发现重频脉冲下在有机玻璃上施加电压越高,电树枝增长速度越快;电树枝的初始生长速度随着频率升高而变快;电树发展普遍存在滞胀期;频率高后,丛林状电树产生的概率增加;实验中还发现有的试样高频下针尖附近出现裂纹,然后生长出树枝。