高压纳秒脉冲气体放电中X射线探测实验研究进展

近年来通过探测高压纳秒脉冲气体放电中X射线来研究放电过程中高能电子逃逸行为,进而探索高压纳秒脉冲气体放电机理受到了国内外广泛关注。在介绍纳秒脉冲气体放电中X射线的产生及探测方法基础上,综述了国内外纳秒脉冲气体放电实验中X射线探测实验的研究进展,分析了研究中的探测装置、主要结果和影响因素及相应的解决方法,以期为探测高压纳秒脉冲气体机理提供参考。     

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。     

微秒和纳秒脉冲激励下甲烷DBD电学特性研究

利用等离子体技术可以裂解甲烷,产生C2烃和氢气等具有更高价值的物质。对等离子体放电参数优化以提高甲烷等离子体转化效率具有重要意义。文中基于同轴DBD反应装置,在自主研制的微秒和纳秒脉冲电源的激励下,改变电源参数和气体流速,研究了甲烷裂解过程中不同参数下初始击穿电压的变化规律、放电图像、Lissajous图形以及单脉冲内的能量和功率,为甲烷转化提供参考。实验结果表明,两台电源作用下气体初始击穿电压均随脉冲重复频率的增加而下降,但纳秒源作用时该趋势更明显;放电强度均随脉冲重复频率增加而加强,相同参数下,微秒源作用时放电更强;施加电压一定时,不同脉冲重复频率以及不同气体流速下Lissajous图形形状几乎一致,微秒源作用时的图形更接近典型的平行四边形;气体流速和脉冲重复频率相同时,两台电源单脉冲内放电能量与所加电压几乎成直线关系变化,气体流速和施加电压相同时,单脉冲内放电能量几乎不受脉冲重复频率的影响,但是纳秒源可以得到更高的瞬时功率。实验表明,脉冲电源可以作用于DBD反应器用于转化甲烷,纳秒源作用时系统的效率比微秒源更高。     

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。     

纳秒脉冲电晕放电的衰减及电晕线电阻率对其的影响

在线-板电晕放电反应器模型上,分别采用电阻率较高的镍铬不锈钢线和电阻率较低的青铜线作为电晕线进行了脉冲电晕放电试验研究。结果表明,在其它条件相同的情况下,镍铬不锈钢线比青铜线上的纳秒脉冲衰减要大,两者的差别达15％。这表明,在纳秒脉冲电晕放电的实际应用中,电晕线的电阻率对纳秒脉冲电晕放电的衰减影响不容忽视。     

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。     

纳秒和微秒脉冲激励表面介质阻挡放电特性对比

表面介质阻挡放电(DBD)在气体流动控制方面有着巨大的应用前景。利用自制的纳秒和微秒脉冲电源进行表面DBD实验,比较了电压幅值、介质厚度、电极水平间距等对两种激励下表面DBD电特性的影响并进行了分析。实验中两种电源激励的表面介质阻挡放电能量均在mJ量级,上升沿瞬时最大功率达到几十kW。实验结果表明:在脉冲上升沿有多次放电,微秒脉冲上升沿放电次数比纳秒脉冲多;随着电压幅值上升,放电次数减少;介质越薄,放电越激烈,能量越大;电极水平间距对表面DBD放电有影响,间距0 mm时能量消耗最大;施加脉冲电压频率越大,放电等离子体的亮度越大;微秒脉冲放电的等离子体区域要大于纳秒脉冲放电。     

纳秒脉冲触发的阵列微空心阴极放电特性

阵列微空心阴极(MHC)是一种在同一个阴极结构上加工多个微孔形成微孔阵列,实现大面积高电子密度的放电微等离子体结构。相比直流触发模式,纳秒短脉冲触发阵列微空心阴极,可以显著地减少直流触发时的电流热负荷效应,提高放电电流和放电能量。本文利用自行研制的纳秒脉冲电源,实现对阵列微空心阴极在氩气下进行脉冲放电,研究其脉冲条件下的放电特性;其次,研究其在纳秒脉冲下多孔阵列的同步放电问题,并通过加入预触发结构,有效改善其同步特性;最后,利用光纤式发射光谱仪进行氩气下氩发射光谱测量,并对纳秒放电等离子体进行光谱诊断。     

电极介质覆盖SF6间隙纳秒脉冲电压放电特性研究

本文引入流体力学理论的对流-扩散机制,建立以自洽流体力学模型为基础的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲电压下的放电数学模型。采用MacCormack二阶精度反耗散的稳定格式,既顾了计算精度、计算量和收敛速度的要求,又克服放电过程间隙参量奇异性对计算结果的影响。同时计算分析了0. 4 MPa,纳秒脉冲电压上升沿20 ns条件下,幅值分别为10、14、19和25 kV,以及幅值15和25 kV条件下的20、30和40 ns下的SF_6气体电极介质覆盖下的纳秒脉冲放电特性,以及放电过程带电粒子的运动行为与间隙电场影响机制,获得了脉冲电压幅值和上升沿对其放电过程的位移电流、传导电流以及总电流之间制约关系。研究结果对拓宽SF_6应用领域具有参考价值。     

大气压下连续脉冲流注放电演变过程的二维全局粒子模拟仿真研究

重复频率脉冲下气体放电发展与演变过程与单次脉冲下有着显著的差异,针对脉冲施加时期与脉冲间隔时期所涉及物理过程与时间尺度的差异,采取全局-粒子耦合模拟的方式,对含有氧气杂质的大气压氮气氛围下针-板电极流注放电过程进行了连续3个负纳秒脉冲的二维全局-粒子耦合仿真模拟,脉冲间隔时间为1 ms.研究发现:首个脉冲施加时期,放电...     

纳秒脉冲气体放电机理研究现状

针对脉冲功率技术一基础研究领域即ns脉冲下电介质击穿机理 ,详析了几种放电机理假说 (包括经典流注机理、电子崩链模型、逃逸电子模型、气体开关模型等 ) ,指出重频ns脉冲下气体放电试验及机理值得研究。     

触发管型气体开关导通时延的分析及估算

触发管型三电极气体开关导通时延的分析估算对于开关工程设计具有重要意义。结合近年来国内外对触发管型气体开关放电物理机制的研究进展,利用电子崩–流注理论分析解释了触发管气体开关主间隙的击穿过程,由Raether击穿判据推导了以空气为绝缘介质的触发管型气体开关导通时延的数值计算模型,并制作了一个触发管型气体开关及其触发装置进行验证性实验。仿真和实验结果的比较表明:Raether判据可用于判定快、慢导通机制的发生;高欠压比和低欠压比下,计算模型能够正确地反映出触发管型气体开关的导通时延特性,而且符合理论研究中的慢触发和快触发机制特点;触发间隙的击穿在中等欠压比值下,对促进主间隙流注的形成有作用,导致实测导通时延减小。分析计算模型可作为触发管型气体开关设计的参考依据。     

微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述

微纳尺度电气击穿特性和放电规律是当前国内外学者的研究热点。本文回顾了近70年来国内外学者在该领域的主要研究工作和成果,重点从研究手段、放电规律以及物理机制等方面对不同物理尺度介电系统(宏观尺度电极/微米间隙、微米尺度电极/微米亚微米间隙、纳米尺度电极/纳米亚纳米间隙)的放电击穿特性进行了总结,阐述了电极间隙、气压、电极材料和电极形状等因素的影响机制以及不同物理尺度介电系统的放电规律。通过对微纳尺度电气击穿特性和放电规律的概括和分析,发现当前存在的主要问题并指出下一步的研究方向,对丰富和完善微纳尺度放电击穿理论具有重要参考意义。     

均匀电场重频脉冲作用下的水中气泡击穿

均匀电场重频脉冲作用下处理室放电问题是高压脉冲电场(pulsed electric field,PEF)技术遇到的难题.目前现有水中空气泡的击穿研究无法说明这种平均电场强度较低(＜70kV/cm)的情况下的击穿现象.为了解决这一问题,设计了金属平板电极与水溶液电极间的气体击穿实验,利用等效实验研究了有水溶液电极的大气压...     

Gaseous electrical discharge characteristics in air and nitrogen at cryogenic temperature

In designing superconducting electrical power apparatus, the knowledge of cryogenic gas and liquid insulation characteristics is essential. The authors have studied the discharge characteristics of relatively long-gap configurations in air and nitrogen at a cryogenic temperature. A sphere-to-sphere electrode with a gap length of 20 to 150 mm is used for measurements in uniform electric field. The breakdown voltage characteristics basically obey Paschen's law at cryogenic temperature for 50 Hz, AC, DC and lightning impulse voltage applications. A rod-to-plane electrode with a gap length of 20 to 330 mm is used for measurements in nonuniform electric field. In air at cryogenic temperature and nitrogen gas at both room and cryogenic temperature, streamer-like corona discharge appears near the tip of the rod electrode before the breakdown, and the breakdown voltage increases linearly with gap length. In air at room temperature thin film-like corona discharge, however, appears near the tip of the rod electrode before breakdown, and the breakdown voltage becomes higher than the other case. In order to examine the variation of corona discharge characteristics, some additional experiments are conducted. As a result, it becomes clear that thin film-like glow corona discharge appears when electronegative gas is contained and sufficient electrons are supplied from the cathode.     

多间隙气体放电管研究及其应用

为了解决气体间隙放电在雷电防护应用中存在击穿电压高、工频续流大的问题,通过对汤森理论与帕森定律的分析,设计了一种多间隙气体放电管,并在帕森定律的基础上提出了单个间隙击穿电压乘以系数β(β1)为多间隙气体放电管的击穿电压。采用模拟雷电流对多间隙气体放电管做冲击试验,结合气体放电理论与试验结果分析得出:与相同材料及极间距的传统气体放电管相比,多间隙气体放电管的击穿电压为其1/5左右,响应时延可缩短至200ns左右,残压上升陡度最大可减小0.3k V/μs;多间隙气体放电管在一定的雷电流范围内能够减少甚至消除工频续流,具有一定的实用价值。     

Corona and breakdown characteristics between sphere electrode with a protrusion and plane electrode under negative pulse voltage in N/sub 2/ gas

Corona and breakdown characteristics for a configuration of a sphere with a needle and a plane in N/sub 2/ gas are studied. The protrusion was used to simulate a metallic particle attached to a high voltage conductor surface in power apparatus. The corona and breakdown characteristics depend on the vertical distance between the needle tip and the bottom sphere. It was observed that the breakdown path changed from needle-to-plane to sphere-to-plane while increasing the vertical distance of the needle from the plane. Although corona was generated at the needle-tip at first and developed in the direction of the plane, both the needle-plane and the sphere-plane breakdown occurred at some short vertical distances. The sphere-plane breakdown in that distance was triggered by corona from the needle.     

Effects of hot SF/sub 6/ on post-arc circuit breaker design

SF/sub 6/ is blown through the arc during interruption of an SF/sub 6/ puffer circuit breaker. This hot gas flows down an exhaust tube into the chamber of a dead tank circuit breaker where it can lower the dielectric withstand between the exhaust tube and the tank of the circuit breaker, leading to dielectric breakdown during the transient recovery voltage after clearing. This paper presents experimental evidence that any such breakdown is controlled by the hot gas near the exhaust tube, with cold gas in the remainder of gap having little effect on the breakdown voltage. This experimental conclusion is supported by a detailed theory for conditions under which breakdown can occur.     

Impulse partial discharge and breakdown characteristics of rod–plane gaps in air and N2 gases

In response to growing environmental concerns, we attempted to develop switchgear without using SF₆ gas. In our research, we used compressed air and pure N₂ as an electrical insulation gas, because of their low global warming potential. In this paper, we examined the impulse breakdown and impulse partial discharge characteristics under various conditions related to nonuniformity of the electric field. The experimental results show that the breakdown voltage (BDV) of air is higher than that of pure N₂ gas under highly nonuniform field conditions in the rod–plane gap. On the other hand, the discharge inception voltage of air and N₂ were almost the same. Furthermore, first partial discharge (PD), leader discharge, and its transition to the breakdown were successfully observed through the measurement of discharge current and light emissions under impulse voltage application. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 148(3): 36–43, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10277