高功率二极管真空绝缘结构设计与实验

介绍了二极管真空绝缘中真空沿面闪络理论、绝缘结构设计要点以及沿面闪络域值估算方法,提出二极管结构优化设计的思路和方法,通过数值计算对一种高功率二极管真空绝缘设计进行了优化,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,从而大大改善了二极管绝缘体的绝缘性能,延长其使用寿命。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。     

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.     

脉冲电压下油膜涂覆绝缘体真空沿面闪络特征

为进一步提高真空绝缘体沿面闪络电压,采用变压器油涂敷于真空绝缘体表面,实验研究了脉冲电压下油膜涂覆绝缘体的真空沿面耐压性能。实验结果表明:真空中油膜涂覆绝缘体首次沿面闪络电压和老练电压均有大幅度提高,但耐受电压与未涂覆绝缘体的耐受电压基本一致。根据实验结果结合真空沿面闪络二次电子崩理论和液体击穿二次电子崩理论,初步认为闪络发生在绝缘体与油膜交接面处,油介质的涂覆抑制了绝缘体表面二次电子崩的发展和解吸附气体的释放,提高了首次闪络电压和耐受电压,但较高的闪络电流释放的热量将可能在绝缘体表面形成固有闪络通道从而降低油膜涂覆绝缘体耐受电压,油介质的涂覆促使电极与绝缘体接触良好从而降低了闪络电压的分散性。该涂覆方法有希望应用于对真空无特殊要求的固体支撑结构来提高真空耐压性能,但油介质对真空的影响还有待进一步研究。     

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。     

液氮中绝缘体表面形状对沿面闪络电压的影响

液氮环境下绝缘材料沿面闪络特性的研究是低温高压绝缘技术的重要内容,为得出有效增大爬电距离的方法,研究了液氮环境下绝缘材料的不同表面形状对沿面闪络电压的影响。通过实验测量了爬电距离均为10 mm的不同直径的圆柱形试品、不同斜面倾角的圆台形试品和折线形侧面试品在液氮中的沿面冲击闪络电压,并对试品的电场进行了仿真。实验结果表明:液氮环境中,圆柱型绝缘体直径增加,沿面闪络电压略有下降;不同形状的绝缘体沿面闪络电压有较大差异,其原因是表面形状改变了电场分布,三结合点处场强愈小,绝缘表面电位梯度愈均匀,沿面闪络电压愈高。     

固体电介质真空沿面闪络研究进展

针对真空中复合绝缘体系的耐电强度受到沿面闪络现象限制问题,综述了国内外真空沿面闪络相关的研究进展。研究发现,真空中固体绝缘介质的沿面闪络性能受老练方式、介质的表面特性及体特性、介质表面沉积电荷、绝缘体系的电场分布等因素影响。机理分析认为真空中的沿面闪络现象实质上是高场下电荷在气-固界面的输运行为,其过程涉及到介质表层中的电荷捕获/脱陷特性、二次电子的发射特性、以及气相中的气体(或解吸附气体)分子的碰撞电离/电子倍增等过程,沿面闪络的发展和形成是以上几个因素相互耦合作用结果。基于以上分析及认识,认为可以从改变材料表面特性及体特性和改善整个绝缘体系的电场分布方面,来提升真空沿面闪络电压。     

纳秒脉冲下真空绝缘沿面闪络特性实验研究

通过实验研究了纳秒脉冲(10/30 ns)下,真空绝缘沿面闪络电压随圆台形绝缘体锥角、圆柱形绝缘体截面直径、实验气压以及电极材料等物理因素的变化趋势,结果表明圆台形绝缘体锥角变化对闪络电压影响非常明显;厚度相同的圆柱形绝缘体闪络电压随截面直径的增大而降低,且直径越小,变化幅度越大;当气压处于高真空范围,即10-5~10-1Pa时,气压变化对闪络电压不构成影响;高真空条件下不同电极材料对闪络电压无影响。并在系统分析实验结果的基础上,提出了真空绝缘结构设计原则。     

真空绝缘沿面闪络特性实验研究现状

文中系统总结了目前高压真空绝缘闪络特性的实验研究成果,具体阐述了几种典型实验模型及研究方法,以及几种重要物理因素,即绝缘材料介电常数、绝缘体几何形状及长度、施加电场波形、绝缘体表面处理、绝缘体几何面积、绝缘体预放电处理、磁场作用、多层高梯度绝缘技术等等,对真空绝缘闪络特性的影响。     

基于二维PIC-DSMC耦合算法的真空沿面闪络形成过程的等离子体演化特性

真空沿面闪络一直是限制相关高压技术应用的重要问题,因此通过深入认识真空沿面闪络形成过程等离子体演化特性来掌握影响等离子体形成和演变的主要因素,对进一步提高相关器件耐压性能有重要意义。为此基于金属-真空-绝缘体交界处的三相点场致电子发射、绝缘体表面电荷累积、二次电子发射、气体解吸附及电子与解吸附气体相互作用等基本物理过程,通过二维轴对称PIC-DSMC(网格质点法-直接模拟蒙特卡罗法)耦合算法建立了1 mm间隙的真空沿面闪络仿真模型,阐明了电子、离子和中性粒子的时空分布演化特性,揭示了绝缘体表面电荷累积对阴极表面电场的增强作用以及其导致的三相点场致发射电子增加,阐明了阴极附近正离子大量出现并增强场致发射导致了阴极附近首先形成电子雪崩并从而引起真空沿面闪络的物理过程,从而获得了完整的真空沿面闪络形成过程中的等离子体演化特性,这为深入理解真空沿面闪络机制和进一步提高相关器件性能奠定了基础。     

不同电场下环氧树脂直流沿面闪络特性及其闪络电压分析

研究绝缘材料在不同条件下的沿面闪络特性对掌握绝缘子的电气强度及保证电气设备安全稳定运行具有重要意义。为此,研制了具有不同电场分布形式的沿面放电电极,通过实验研究了环氧树脂在真空及空气环境中的直流沿面闪络特性,并采用韦伯分布分析了闪络电压的变化规律。结果表明,环氧树脂在极不均匀电场下的闪络电压比稍不均匀电场下低,真空中闪络通道和闪络电压的分散性比空气中大,真空闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络。不对称电场下沿面闪络电压具有明显极性效应,并且真空与空气中的极性效应相反。此外,环氧树脂直流闪络电压服从韦伯分布,可借助该方法定量评估绝缘系统对外加电压变化的敏感性。位置参数的引入有效提升了闪络电压数据的拟合效果,通过特征闪络电压、0.1%闪络概率的闪络电压进一步完善了对绝缘材料沿面电气性能的评价方法。     

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。     

真空高压二极管中电子回流的研究

真空高压二极管中的电子回流是造成绝缘子表面闪络的重要因素。本文分析了磁场和电场对真空中高压二极管电子回流的影响。在存在磁场及回流电子的情况下,建立了更接近实际的物理模型。采用理论计算和数值模拟的方法分析了电子回流对绝缘子耐压能力的影响,并在绝缘子设计原则的基础上提出了减弱电子回流对绝缘子耐压能力影响的方法。     

Insulation performance and flashover mechanism of bridged vacuum gaps

The insulation performance and the flashover mechanism of a vacuum gap bridged by an insulator in the shape of a conical frustum have been studied. The cone angle of the insulator is varied from 0 to 45 deg and the thickness of the insulator is varied from 5 to 15 mm. The gap is subjected to a lightning impulse voltage of 2/50 μs. The insulation performance is investigated by observing the ratio of the flashover voltage of the bridged gap to that of the gap without insulators. The flashover mechanism is investigated by observing the distribution of traces on the cathode surface due to flashovers and by analyzing the electric field near the insulator-cathode junction. Charging of the insulator due to electron collisions on its surface is considered in this analysis. As a result, it is found that the ratio is greater than 90 percent for a cone angle greater than a critical one when the top of the frustum is subjected to the positive impulses. It is found also that the trace distribution is related closely to the insulation performance.     

多层高梯度绝缘技术研究

真空中沿面闪络现象是制约真空设备耐压强度的一个重要因素,采用多层高梯度绝缘技术,比传统绝缘结构能显著提高击穿场强。介绍了该技术的研究现状,并从真空沿面闪络的二次电子崩理论入手,分析该结构对闪络过程的影响。同时,从小间隙串联的模型以及对外加电场的影响两方面,解释了多层高梯度绝缘结构可以提高绝缘性能的原因,它与公开的实验现象和结论也比较符合。     

平板模型沿面工频沙尘闪络特性的试验研究及放电机制分析

风沙对电力系统外绝缘放电的影响已引起广泛关注,由于污秽绝缘子的闪络与沉积在绝缘子表面的污秽性质有关,沙尘环境下的沙粒性质、状态、大气环境等均对绝缘子闪络特性有影响。因此以典型的平板模型为研究对象,在沙尘模拟实验室,对沙尘环境下外绝缘沿面工频放电特性进行了试验研究和机制分析。得到了风沙速度、风沙带电量、沙粒沉积量及沙粒含水量等因素对沿面放电的影响规律;在有风有沙和有风无沙时,平板模型沿面闪络电压Uf随风速的增大而增大,当风速达到4.5m/s后增大趋势变缓;Uf受沙尘的电荷量影响较小;当干沙粒沉积在绝缘表面时,随着沉积密度的增加,Uf存在着极小值;同时,平板模型的闪络电压还与沉积沙粒的含水量有关。在此基础上分析了风沙环境下绝缘子的沿面闪络过程和放电机制,得出了无沙区域在沿面闪络过程中起重要影响这一结论。     

影响真空中绝缘体沿面闪络特性因素研究综述

系统总结了目前高压真空绝缘闪络特性的实验研究成果,具体阐述了几种重要物理因素,即施加电场波形、绝缘体几何形状及长度、绝缘体几何面积、绝缘体表面处理、绝缘材料介电常数、绝缘体预放电处理、磁场作用、电极材料及几何形状、多层高梯度绝缘技术等,对绝缘闪络特性的影响。     

高海拔地区大吨位绝缘子直流污闪特性研究

为了研究实际高海拔条件下大吨位瓷和玻璃绝缘子染污放电特性,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设计提供参考,在实际海拔1970 m条件下,利用±250 kV直流污秽试验电压,采用恒压升降法,对大吨位瓷和玻璃绝缘子的直流污闪特性进行了详细研究。试验结果表明:大吨位瓷和玻璃绝缘子的直流污闪特性相差不大;盐的种类、灰密大小及污秽分布情况对大吨位瓷绝缘子直流污闪特性影响较大;伞形对绝缘子表面电弧发展特性影响较大,使得不同伞形绝缘子的直流污闪电压差别较大。因此,在高海拔地区特高压线路外绝缘选型和设计中要充分考虑这些因素的影响。     

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。