高真空条件下绝缘闪络机理研究的评述

实验研究了ns脉冲(10/30ns)下真空绝缘闪络电压随气压(10-5～10-1Pa)的变化趋势,结果表明高真空范围内的气压变化不影响绝缘闪络电压。剖析真空环境下的气体解吸附过程表明:高真空阶段时表面放气已成主 要气体负荷;气体解吸过程始于闪络发生前,且所释放气体均源于绝缘体表面的吸附气体而非背景环境;闪络时绝 缘表面已形成良好的气体放电环境,即真空中的闪络实为绝缘体表面气体解吸后形成的高气密环境中的放电过 程。     

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。     

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。     

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。     

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.     

脉冲陡度对快脉冲下真空沿面闪络特性的影响

为了研究高压快脉冲下绝缘材料的真空沿面闪络机理,从脉冲陡度角度出发,在真空度5 mPa水平下,通过5种脉冲源形式,13种输出电压,测量了环氧试样在不同脉冲陡度下的真空闪络电压。通过数据的分段拟合,结合闪络时延特性以及在高脉冲陡度下洛伦兹力对电子运动的影响,讨论了脉冲陡度对闪络电压的作用机制。分析表明,脉冲陡度很低时(<1.5 kV/ns),闪络电压主要受闪络形成的统计时延的影响;脉冲陡度较高时(几kV/ns~10 kV/ns),闪络的形成时延也成为影响闪络电压的重要因素;脉冲陡度很高时(>十几kV/ns),闪络电压受闪络时延和洛伦兹力共同影响。     

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。     

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.     

表面激光处理对氧化铝陶瓷真空中闪络特性的影响

真空中高电场下沿固体绝缘材料表面的闪络现象与材料的表面状况密切相关.本文利用CO2激光器刻线的方法调整氧化铝陶瓷的表面状况,激光刻线的密集程度取为(10~50)线/5mm,通过调整激光能量刻线深度的范围为0.05～0.25mm.实验结果发现,经激光处理的氧化铝由于热作用在表面形成线状的连续凹坑,其闪络电压会发生明显变化.当激光刻线的密度与深度调节得合适、刻线后的陶瓷表面为规则的微观形状貌时,材料表现出较好的表面耐电特性.依照本文的刻线工艺,刻线密度越大,刻线效果越好,则闪络电压越高.当刻线密度为50线,深度为0.2mm时,氧化铝陶瓷表现出最为规则的表面微观形貌,完全由均匀连续的凹坑覆盖,此时闪络电压达到最高值.基于此,本文认为可以用材料表面微观形状的均匀性来表征和调控其闪络特性.     

真空中高压电极结构的单次脉冲沿面闪络耐压研究

电极作为高压绝缘子的加载对象,在电真空器件中有着至关重要的作用,合理的电极结构设计可以有效地提高高压器件的沿面耐压。笔者从实际的应用出发,针对几种新型电极结构进行了电场仿真和实验耐压实验,给出了不同电极情况下,氧化铝陶瓷的耐压结果。结果表明,新型电极结构能有效减弱氧化铝陶瓷三结合处的电场强度,并在一定程度上提高绝缘子耐压能力,相对于平板电极,其平均最高耐压提高了55%。     

真空中冲击电压下硅半导体的泄漏电流及沿面闪络特性

在冲击电压下 ,通过在真空中对采用和未采用化学腐蚀表面处理的硅半导体的实验表明 ,试品的表面状况对其泄漏电流和沿面闪络特性有着很大的影响 ,在沿面闪络之前 ,未经处理试品的泄漏电流表现为欧姆性电流 ,而表面处理过的试品表现为空间电荷限制电流特性 ;同时两类试品表面的放电通道也表现出不同的特征。提出了一个新的模型来描述半导体材料沿面闪络的发展过程 ,即由焦耳热效应诱导的电流细丝现象而发展成最终的闪络 ,并认为这是一个发生在半导体表层内的过程 ,在靠近真空的侧面这一表层厚度约为 2 μm。     

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。     

低气压下染污绝缘子的直流放电特性研究

根据在人工气侯室内对悬式绝缘子XP—7,XWP2—7,DC—Ⅱ—16和支柱绝缘子ZS1—35—400,ZWS1—35—400的直流污闪试验结果,得到了直流闪络电压与气压和盐密的关系,并对不同结构绝缘子的污闪特性进行了分析,提出了表征直流污闪电压随气压降低而下降的特性指数n值的选取原则,并与交流下的结果进行了比较和分析。     

表面处理对可加工陶瓷真空沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象严重制约着电真空绝缘系统的整体性能,限制了高压电真空设备的发展,而绝缘材料的表面状况对其沿面耐电特性有极大影响。本文针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景,通过使用不同的砂纸对可加工陶瓷试品的表面进行打磨处理,使用超深度表面形态测定激光显微镜测定不同处理方式下试品表面形貌的变化,并对不同处理情况下的试品的真空沿面闪络特性进行测定。结果发现:使用砂纸打磨的方法能够有效改变试品的表面粗糙度,粗糙度变化规律明显,而随着试品表面粗糙度的增大,试品的真空沿面闪络电压提高。