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。     

用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲.选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值.测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns.负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz.电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变.该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求.     

激光引信中发射单元的设计

设计了用于机载激光引信的激光脉冲测距发射单元,该发射单元由激光器和驱动电路构成。激光器选择纳秒级脉冲大功率固体激光器,采用半导体激光二极管作为泵浦源,提出了一种获取同步信号的方法,并对其整体结构进行了考虑。为满足引信特殊需要,为半导体泵浦固体激光器设计了专用驱动电路,解决了固体激光器在不同温度下重复频率不稳定性问题,避免了使用体积庞大的致冷器。激光发射单元工作可靠,在很大温度范围内重复频率稳定并可灵活可调。5V电源时,输出峰值功率达2018W、脉宽3.3ns、重复频率达10kHz。     

10kV重复频率方波脉冲源的研制

为进行绝缘材料在快前沿高压脉冲作用下的局部放电和绝缘老化的试验研究,研制了1台最高输出电压为10kV的重复频率高压方波脉冲发生器。该方波发生器采用可调直流高压电源和储能电容器作为能源系统,利用半导体固态开关作为主放电开关控制脉冲宽度和重复频率,通过脉冲放电回路在负载上形成所需的电压脉冲。其半导体固态开关采用具有低耦合电容的紧凑型快速高压金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)开关,通过复杂可编程逻辑控制器(CPLD)可编程逻辑电路实现开关通断控制。实测结果表明,该脉冲源可以产生脉冲上升沿约为80ns、最小脉冲宽度为320ns的高压准方波脉冲,最高输出幅值达到±10kV,脉冲重复频率的可调范围为1～3kHz,性能指标满足绝缘材料的局部放电以及绝缘老化试验的要求。     

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。     

一种结构紧凑重频高压ns脉冲电源的设计

为了满足介质阻挡放电、臭氧制取和材料表面处理等工业应用需求,设计了一种结构紧凑重频高压ns脉冲电源,该脉冲电源主要由初级能源、磁芯脉冲变压器,螺旋脉冲形成线和气体开关组成。通过电路和电磁场理论分析、TPpice电路仿真及KARAT程序模拟计算,该电源在阻抗约25Ω时能够输出100 kV,脉冲宽度>150 ns,重复频率能够达到1 kHz的高电压脉冲。该电源结构紧凑,造价低,并且输出脉冲的上升前沿<20 ns,具有重要的应用前景。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

重频纳秒脉冲电压下聚酰亚胺薄膜层叠结构的绝缘特性

为提高脉冲功率技术中绝缘结构的绝缘性能,延长设备使用寿命,研究了重频纳秒脉冲电压作用下,多层绝缘薄膜层叠结构的绝缘特性,采用上升时间为115 ns、脉宽为225 ns的重频源,在重复频率为1 kHz的条件下,对比了不同厚度和层叠数的聚酰亚胺单层膜和多层膜的短时击穿场强和长时耐受脉冲数,建立了重频纳秒脉冲电压下1 500...     

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。     

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。     

轻质高频高压纳秒脉冲电源研制

高压脉冲电源是产生放电等离子体及其应用于生物医学、材料表面处理及流动控制的重要激励源.基于单极性Marx电路与脉冲变压器相结合的思路,利用脉冲变压器的电压波形过冲现象,开发了一台高频高压纳秒脉冲电源样机.该电源样机输出电压幅值最高可达21 kV,频率最高达16 kHz,上升沿和下降沿分别约为145 ns和215 ns,脉宽约为250 ns;输出平均功率为125W以内时,整机效率高于80％.该脉冲电源的输出电压、频率等参数连续可调且体积较小.上述研究为开发应用于放电等离子体的高压脉冲电源提供重要参考.     

基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲源的研究

为可靠驱动重复频率纳秒脉冲放电,研究设计了一款基于吹气开关的重复频率纳秒脉冲电源,可输出幅值可变,脉宽数十至数百纳秒的准方波脉冲。在本研究的实验条件下,输出脉冲的最高有效工作频率可超过1.5k Hz。该电源采用脉冲形成线原理产生高电压纳秒脉冲,开关采用同轴结构的吹气式自击穿气体开关,风机吹气用于加快气体开关的绝缘恢复速度,进而提高气体开关的极限工作频率。实验结果表明:在不加吹气风机时,气体开关绝缘恢复情况较差,存在多次低电压击穿过程,故脉冲形成线越短,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限越低;使用吹气风机后,开关的多次低电压击穿现象在一定程度上被抑制,纳秒脉冲电源的有效工作频率极限随脉冲形成线长度的缩短而增大;且风机风速越快,气体开关绝缘恢复越好,纳秒脉冲电源的有效工作频率越高。最后用此重复频率纳秒脉冲电源成功驱动了平行板结构的介质阻挡放电模块。     

适用于变频电机绝缘测试的脉冲方波发生器

为合理评估变频电机绕组的绝缘性能,IEC建议采用脉冲方波电压开展测试并且选择合适的脉冲参数以减小电压波形带来的测试偏差。通过对脉冲电源波形参数选择的分析,研制了一台基于桥式固态开关器件的直接输出式脉冲方波电源,给出了脉冲变换主回路暂态参数的设计方法。波形测试结果表明该脉冲方波电源能够输出具有对称脉冲边沿特性的脉冲方波,通过控制半导体固态开关和调节充放电参数能得到最短脉冲边沿时间20 ns、最大重复频率20 kHz、最高电压幅值10 kV的对称脉冲波形,耐电晕寿命测试结果与相关研究结论一致。该脉冲电源运行可靠、结构简单,输出波形稳定,可用于开展脉冲电压条件下变频电机绝缘性能评估工作。     

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。     

常压单极性纳秒脉冲DBD模式的实验研究

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的重要方法。实验研究的DBD由上升沿15 ns,半高宽约30ns最高重复频率1 kHz的正极性纳秒脉冲产生,测量了DBD电压、电流以及放电图像。结果表明,空气间隙上发生两次放电,分别发生在施加电压的上升沿和下降沿末端,电流峰值可达百安培量级,峰值功率可以达到MW级。放电图像显示放电分为均匀放电和丝状放电两种模式,且阻挡方式和重复频率都是影响这两种放电模式相互转化的重要因素。     

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究

为了实现大气压空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电(DBD),利用上升沿15ns,半高宽30～40ns的正极性纳秒脉冲激发DBD,并由电压电流和放电图像研究DBD的特性,分析均匀放电实现的条件和特征。实验结果表明放电电流呈双极性,且电气参数要比交流及微秒脉冲DBD的高,在一定条件下可获得均匀模式放电。通过重复频率和气隙距离对放电均匀性的影响研究发现,2mm空气间隙中,双层介质阻挡时重复频率对放电均匀性影响不明显,但当间隙距离从2～8mm延长时,放电明显由均匀模式向丝状模式过渡。此外,对纳秒脉冲DBD放电均匀性与施加脉冲上升沿的关系进行了探讨。     

利用DBD开关开展脉冲压缩技术研究

为输出1～2ns脉宽的脉冲,进行了利用脉冲形成线原理和DBD开关快速导通技术压缩SOS脉冲源输出波形的实验,结果表明:峰值功率450MW、脉宽6ns的脉冲输出可压缩为峰值功率约1GW、阻抗50Ω、脉宽1.8ns、脉冲前沿约0.9ns,运行重复频率2kHz。证明该脉冲压缩技术是实现高重复频率超宽谱源的有效方法。     

基于Marx电路的固态高压脉冲电源设计

针对高压脉冲放电和低温等离子体应用的要求,设计了一种基于Marx电路的高重复频率的固态高压脉冲发生装置。该脉冲电源利用Marx电路电容并联充电、串联放电的原理,选取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为放电开关,控制电路的模态切换。Marx主电路由84级单元组成,每级单元包含IGBT开关管、快恢复二极管和储能电容。实验结果表明,在输入电压为480 V直流电压,并且在300 Hz的频率下,该电源可以产生幅值为20 kV、脉宽为500 ns的高压脉冲,满足设计要求。     

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。     

宽频高压脉冲参数对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了探索脉冲电应力作用下高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件绝缘材料的局部放电特性,建立高频高压脉冲作用下的局部放电测量平台,系统研究了电压幅值、脉冲重复频率、上升沿时间和脉宽对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响规律。结果表明:随着电压幅值从3 kV增加至11 kV,脉冲上升沿处的局部放电信号幅值逐渐增大,而放电时延逐渐减小;随着脉冲重复频率从50 Hz增大至100 kHz,上升沿的放电时延逐渐增大但局部放电信号幅值几乎不变;随着上升沿时间从136 ns增大至300 ns,放电时延逐渐增大且更加分散,局部放电信号幅值逐渐减小且更加紧密;与脉宽为1μs的情况相比,脉宽为500 ns时局部放电信号幅值更大且放电时延更小。该结果可为高压大功率电力电子装置中固态开关的绝缘老化和状态监测提供重要科学依据。