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。     

氧化铝陶瓷绝缘子真空沿面闪络过程中的陷阱机制

采用热刺激电流法(TSC)研究了不同烧结温度和掺有不同添加剂的氧化铝陶瓷的陷阱能级密度分布特性以及在负脉冲电压作用下的真空中表面带电和沿面闪络特性。研究发现，氧化铝陶瓷的陷阱分布与其真空中的表面带电和沿面闪络特性之间存在一定的内在联系，即材料中的陷阱密度越大，其表面电荷密度越高，且沿面闪络电压越低。上述结果表明，氧化铝陶瓷在真空沿面闪络过程中，除了电介质的二次电子发射作用外，载流子的入陷、脱陷机制也起着相当重要的作用。     

真空沿面闪络全局模型与数值仿真综述

数值模拟技术广泛应用于真空沿面闪络机理及其抑制的研究中。文章回顾总结了真空沿面闪络全局模型与数值仿真所涉及的物理过程、常用建模方法、技术难点以及相应解决手段，并对真空闪络数值仿真的后续发展进行了讨论。首先介绍了基于二次电子发射雪崩理论的真空闪络全局模型，详细分析阴极三结合点处电子发射、介质表面二次电子倍增、介质表面气体解吸附以及最终沿面等离子体形成所包含的各物理过程，并按照闪络起始、发展和击穿，分3阶段介绍了对应粒子仿真所采用的建模理论、算法细节与仿真研究所得结果，主要包括阴极三结合点场致电子发射、介质二次电子发射、解吸附气体输运、电子-中性粒子碰撞等物理过程。文章随后回顾了基于全局模型的真空闪络抑制方法，主要包括通过电场优化降低场致发射，构造阻碍二次电子崩发展的表面微结构，以及抑制介质气体解吸附，并讨论了数值仿真在闪络抑制手段验证、开发中的重要作用。最后针对性地对其它非粒子模拟的分阶段闪络建模方法及其后续发展进行了讨论，包括动理学模型、流体模型、混合仿真模型以及体内体表联合模型。     

复合材料的陷阱参数对其在真空中高压脉冲下沿面闪络特性的影响

长期以来真空沿面闪络现象一直制约着真空绝缘材料性能的提高，极大地限制了高功率脉冲设备的小型化和实用化进程。该文针对环氧基复合材料引入真空绝缘的背景，研究了脉冲电压作用下，复合材料的表面陷阱状况对其沿面绝缘特性的影响。通过对Simmons等温电流理论的进一步推导，完善了利用表面电位衰减测量材料表层陷阱能量分布的理论和方法，并分析了填料浓度对于材料表层陷阱的影响机制。在已有的二次电子发射雪崩(SEEA)闪络模型基础上，强调了深电子陷阱在沿面闪络过程中的作用，并定性分析了此过程中的物理机制和影响因素。复合材料中的深陷阱对于抑制材料表面的内二次电子发射有一定的作用，通过提高深陷阱的密度可以在一定程度上提高沿面闪络电压。     

表面离子交换对可加工陶瓷真空沿面耐电特性的影响

真空中沿固体绝缘材料表面的闪络电压通常远低于绝缘材料自身及相同长度真空间隙的击穿电压,长期以来这一现象极大地限制了高压电真空设备的发展进程。鉴于此,将一种具有优良的可加工性能及表面耐电特性的可加工陶瓷引入真空绝缘领域,进而通过离子交换的方式改变可加工陶瓷的表面元素分布,以降低其表面的二次电子发射系数。并采用Cu+置换可加工陶瓷表面的Na+,考察了经不同离子交换时间后试品的表面形貌、介电特性及沿面耐电特性。结果发现:Cu+离子交换Na+能够提高可加工陶瓷的沿面闪络电压,随离子交换时间延长试品的沿面闪络电压有提高的趋势,并且出现闪络电压最高点,当离子交换时间过长时,闪络电压会有所降低。这为通过表面改性无机材料提高其表面耐电强度提供了一种新的方法。     

氟硅烷修饰的纳米复合光固化涂层提升绝缘真空闪络特性

表面氟化被认为是提高绝缘真空沿面闪络电压的有效措施之一,然而由于材料表面形貌和元素的影响难以解耦,两者各自作用机制及抑制效果尚不清楚。为此通过在绝缘表面涂敷光固化涂层,利用涂层中氧化铝纳米片的排列堆积,构建不同粗糙度的表面形貌。进一步通过无机填料的表面氟硅烷修饰,利用固化过程的表面偏析现象在涂层表面引入氟代烃长链作为氟化层。通过闪络电压及表面电荷特性分析等表征手段,探究了表面形貌及元素组成对于介质表面耐电特性的影响。结果表明:氧化铝纳米片的排列堆积可改变表面形貌,增大粗糙度。颗粒表面偶联的氟碳链可在固化过程偏析,形成氟化层;在冲击电压作用下,粗糙的表面形貌是表面电荷积聚减少、闪络电压提高的主导因素;在高粗糙度条件下,氟化层的存在可以吸附更多能量较低的内二次电子,降低二次电子发射系数,进一步提高闪络电压。综合分析形貌及氟化层的影响后,提出了考虑体外真空侧二次电子倍增过程与体内电子输运的理论模型,该模型与表面电荷积聚特性具有良好的一致性。     

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.     

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。     

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。     

真空中氧化铝陶瓷表面耐压试验研究

为提高真空中陶瓷绝缘子的整体耐压水平．对真空中氧化铝陶瓷的沿面闪络行为进行研究，选用95氧化铝陶瓷和掺锰铬氧化铝陶瓷进行表面耐压试验，结果表明：测试过程对陶瓷绝缘子沿面闪络电压有较大影响；在相同条件下，掺锰铬瓷的沿面耐压能力明显比95氧化铝陶瓷高；同时，真空中原始表面较磨加工表面具有更高的耐压强度。     

真空ns脉冲下环氧复合材料表面电荷特性

表面电荷的产生、运动和积累与真空脉冲沿面闪络息息相关,为了探寻沿面闪络的机理,研究了真空ns脉冲作用下环氧及其复合材料的表面电荷特性。围绕15 ns/1070 ns(脉冲前沿和半高宽)高峰值和165 ns/960 ns低峰值两种脉冲源,针对纯环氧及其Al(OH)3和TiO2复合材料,测量了ns级脉冲作用前后的表面电位分布。脉冲作用不闪络时,试样将带有正电荷,闪络后,试样表面积累少量负电荷;纯环氧带电量明显高于其复合材料试样;随脉冲作用次数的增加带电量逐渐增加并最终饱和,阴极电位高于阳极。研究认为:脉冲作用下表面电荷积累受电荷注入、二次电子发射及碰撞电离等多种因素影响。闪络通道形成前,二次电子发射和碰撞电离起主要作用;闪络通道形成后,电荷的中和和注入作用占据主导地位。     

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。     

不同掺杂对可加工陶瓷二次电子发射及沿面闪络特性的影响

固体绝缘材料的表面特性极大地影响着其真空沿面闪络特性,长期以来这一现象极大地制约着真空绝缘系统的整体性能,限制了高压电真空设备的发展进程.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,在不明显降低可加工性能的前提下,通过在可加工陶瓷原材料内掺杂不同的低二次电子发射系数金属氧化物...     

真空绝缘子结构优化设计的理论和方法

根据二次电子发射崩(SEEA)理论,综述了真空绝缘子的绝缘介质材料、几何形状和电极结构对绝缘子沿面闪络的影响和机理过程,以及从这三方面优化设计真空绝缘子以提高其沿面闪络电压的方法。     

真空中绝缘子闪络前表面带电现象的仿真研究

真空中绝缘子发生沿面闪络之前存在绝缘子表面的带电现象,该现象对闪络的发展具有重要影响,到目前为止对该现象进行实时测量还存在很大的难度。基于二次电子发射雪崩(secondary electron emission avalanche,SEEA)模型,利用Monte Carlo法研究了真空中圆柱型和圆台型绝缘子在闪络前表面电荷密度的二维分布。仿真中采用了氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等不同绝缘材料。考察了绝缘材料、施加电压以及圆锥绝缘子不同锥角对表面电荷密度和分布的影响。仿真结果表明,在靠近阴极处的绝缘子表面存在小区域的负电荷区,而后变为较大区域的正电荷区;二次电子发射系数较小的绝缘子表面的正电荷密度较小;随外施电压升高,负电荷的密度及区域减小,而正电荷的密度及区域增大,且正电荷区域的峰值向靠近阴极方向移动;圆台绝缘子的锥角为负时其表面正电荷密度大于锥角为正时的情况,当锥角在-22.5°~-30°之间时表面正电荷密度达到最大,而此时对应的闪络电压最低。仿真结果与实验结果有较好的对应关系。     

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。     

重复频率微秒脉冲电压下多间隙气体开关级间绝缘子沿面闪络特性

多级间隙气体开关是高功率微波装置中的关键器件,其中级间绝缘子沿面绝缘强度是影响开关稳定性和寿命的关键因素之一。文中模拟级间绝缘子实际工作条件,对平行平板电极中的圆柱形绝缘子试样施加重频微秒脉冲电压,开展闪络电压、闪络时延以及沿面寿命的实验研究。结果表明：气/固介电常数差异加剧电场畸变,使得闪络电压随着绝缘子材料介电常数增大而降低,SF6中不同材料闪络电压的差异小于空气中;由于累积效应,闪络电压和闪络时延随着重复频率增加整体呈下降趋势;相同欠压比下,绝缘子沿面寿命随着气压升高而增长,SF6中沿面寿命高空气中一个数量级,介电常数较大的材料具有更优异的沿面寿命;SF6与空气闪络路径的差异导致SF6中沿面闪络特性具有与空气中不同的特点,闪络放电分散性低于空气中,重频脉冲作用下材料表面光电发射作用更为显著,连续闪络中劣化猝发等。该研究为级间绝缘子沿面绝缘设计和绝缘材料筛选提供了理论依据。     

纳秒脉冲下真空绝缘子表面电荷的三维分布形态EI北大核心CSCD

表面电荷的积聚会改变电场分布,也会参与放电的电子倍增过程,导致真空绝缘子的沿面闪络电压显著降低。工程中的真空绝缘子是45°圆台形,现有的表面电荷二维测量不能满足研究要求。为研究表面电荷分布特性,研制了表面电荷三维测量平台,获得了表面电荷的三维分布形态。在正极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为正,在负极性脉冲电压作用下,表面电荷全部为负。靠近上电极表面电荷密度大。随着脉冲电压幅值和次数的增加,电荷积聚量明显增大。表面电荷的积聚使闪络电压有一定程度的降低。45°圆台绝缘子上电极处的强电场导致的场致发射是表面电荷产生的原因。     

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。     

聚合物绝缘材料直流闪络特性及表面形貌实验研究

研究绝缘材料沿面闪络特性及闪络过程中材料表面形貌的变化,可以为提高绝缘材料沿面耐压性能及材料表面改性处理提供参考。文中采用正极性直流电压源,对大气环境下聚四氟乙烯(PTFE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的沿面闪络特性及闪络前后表面形貌进行了实验研究。结果表明:绝缘材料直流闪络电压近似服从韦伯分布,可借助韦伯分布统计方法求出任意概率下的闪络电压。采用三维显微镜及原子力显微镜观测了闪络前后材料的表面形貌,发现材料表面的放电痕迹均在阴极附近更为严重,并且闪络后材料表面出现连续状沟壑,表面起伏变大、粗糙度变大。文中分析表明,绝缘材料的沿面闪络电压受电场畸变程度及材料表面形貌特性的影响,可为提高聚合物绝缘材料的沿面耐压性能提供一定的参考。