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        真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚和消散特?#32536;?#30740;究

        来源真空技术网www.ismp.tw华北电力大学高电压与电磁兼容?#26412;?#24066;重点实验室作者高春嘉

        真空器件中绝缘子的沿面闪络电压远低于绝缘子自身以及同等长度真空间隙?#32435;?#32476;电压影响沿面闪络电压的重要因素是绝缘子表面电荷的积聚其?#29616;?#21046;约着真空器件的性能为了提高真空中纳秒脉冲作用下的沿面闪络电压绝缘子表面电荷分布的研究十分重要本文搭建了一套真空纳秒脉冲下绝缘子表面电荷测量平台来研究绝缘子表面电荷分布

        本文采用静电容探头法得到不同类型的陶瓷试样的表面电荷分布状况并?#32536;?#33655;的积聚和消散特性进行了对比分析试验结果表明不含添加剂的试样表面电荷积聚明显而掺有添加剂的试样测不到表面有电荷或是存在低于探头灵敏度的电荷积聚所有试样加压3 ?#25105;?#21518;与加压1 次相比较整体电荷积聚量均?#24615;?#21152;不同试样的电荷消散特性试验结果表明静置一个小时后不同试样的电荷消散量均小于10%

        近年来随着大型脉冲功率设备迅速发展以脉冲功率技术为依托的各种高精尖设备在军事工业航空航天工业得到越来越广泛的应用如中国的“神龙一号”直线感应加速器美国的DARHT-1 加速器以及基于快脉冲直线型变压器驱动源(LTD) 技术的脉冲装置等等真空作为一种具有良好介电特?#32536;?#29305;殊电介质被广泛的应用于这些高精尖脉冲功率装置中然而研究发现与空气或者其他气体介质环境中情况不同的是在真空环境中的间隙加入绝缘子后由绝缘子和真空组成的绝缘体系的绝缘强度远小于相同大小的纯真空间隙或固体绝缘子本身的绝缘强度影响了许多高精尖真空设备的运行造成了巨大的损失Lewis 等研究了在交流电压的作用下PMMA 绝缘子在真空中和氮气中的沿面闪络现象发现加入绝缘子后真空绝缘系统的绝缘强度的破坏是由于真空中绝缘子表面发生的沿面闪络现象造成的华北电力大学丁立健等通过研究发现真空绝缘子沿面闪络特性与其表面电荷特性直接相关在施加电压的过程中绝缘子表面会产生电荷积聚造成带电现象表面电荷的出现提供了放电进一步发展的电荷也因电荷自身的作用改变了绝缘子表面在加压过程中的电场分布王增彬等?#36828;?#33033;冲作用下的真空中氧化铝陶瓷的沿面闪络特性做了大量的研究国内外对真空中绝缘子沿面闪络的机理研究工作比较充分可是对于真空条件下纳秒脉冲电压作用时固体绝缘子表面电荷分布的研究却十分缺乏而绝缘子表面在加压时产生的积聚电荷正是造成沿面闪络的重要因素

        为了研究纳秒脉冲下真空绝缘子表面的带电特性本文搭建了一整套纳秒脉冲下真空绝缘子表面电荷测量系统能在不影响真空度的情况下测量纳秒脉冲作用下真空绝缘子表面带电情况

        1试验平台的搭建

        为研究真空中纳秒脉冲电压下真空绝缘体表面场强的分布需要研制相应的输出幅值及脉宽?#38378;?#27963;调节的纳秒脉冲电压发生器参考国内外Marx 发生器的研制方法结合本文所需的电压波?#25105;?#21450;考虑到试验腔体的绝缘情况设计的纳秒脉冲电压发生器的最高输出电压为60 kV上升沿为10ns脉宽为100 ns陡化后的脉冲经过入线电缆进入真空试验腔体整套结构紧凑安全可靠整个试验平台示意图如图1 所示

        真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚和消散特?#32536;?#30740;究

        图1 试验平台

        1.1纳秒级脉冲电压发生器

        如图1 所示纳秒级脉冲电压发生器主要由五部分组成

        供电部分包括工频试验变压器整流硅堆充电电容点火球隙从试验变压器输出的工频电压经过硅堆整流以后成为直流电压?#32536;?#23481;进行充电达到所需要的电压的时候触发点火球隙使?#20204;?#38553;击穿产生脉冲电压

        成型线成型线将脉冲的脉宽控制在100 ns 左右通过计算成型线的长度为5.18 m

        气隙开关脉冲击穿气隙开关腔体中的电极陡化脉冲上升沿为几纳秒到十几个纳秒气隙开关中充有氮气负载一定时调节气隙开关内部氮气的气压可以改变气隙开关的击穿电压从而得到不同输出电压幅值

        入线电缆陡化后的脉冲经过入线电缆进入真空腔体施加在试样表面的高压电极上

        匹配电阻为了减小输出电压波形的振荡并且考虑电阻的热效应以及耐压强度在末端匹配了50Ω 硫酸铜电阻

        1.2纳秒级脉冲电容分压器

        纳秒脉冲的测量端采用的是纳秒级脉冲电容分压器为同轴结构其示意图如图2 所示分压器的高压臂电容由电缆芯线和铜箔构成低压臂电容由铜箔和接地?#33391;?#26500;成电缆绝缘层和聚乙烯薄膜分别构?#38378;?#32423;电容器的介质分压器的分压比和带宽通过方波响应计算为476.451 和56.69 MHz如图3 所示通过此分压器测得的脉冲发生器输出脉冲图如图4 所示上升沿为15.9 ns脉宽为92.2ns满足试验要求

        真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚和消散特?#32536;?#30740;究

        图2 电容分压器

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        图3 电容分压器方波相应

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        图4 纳秒脉冲电压发生器输出波形

        1.3真空系统

        根据实际条件本试验系统选用2XZ-4型机械泵作为前级泵F-100/110 型分子泵作为二级泵的真空机组启动真空机组对试验腔体进行抽气经过10 h此机组基本达到极限真空度为1.33 × 10-5 Pa在本项目的试验过程中一般保持试验腔体的真空度为1.5 × 10-3 Pa

        2结论

        (1) 为了研究纳秒脉冲电压下真空绝缘的表面电荷特性本文搭建了纳秒脉冲电压发生平台和一整套基于静电容探头法的绝缘子表面电荷测量系统纳秒级脉冲发生器的输出脉冲上升沿在10 ns左右脉宽在100 ns 左右电荷测量系统的探头空间分辨率为1.971 mm2电荷分辨率为0.084 μC /m2

        (2) 本文对不同类型的陶瓷试样进行表面电荷测量试验得到了通过静电探头法测得的探头处电位计算求得表面电荷密度的分布状况分析对比了不同试样表面电荷的积聚和消散特性试验结果表明不含添加剂的试样A/B/C/D表面电荷积聚明显而掺有添加剂的试样G 测不到表面有电荷或是存在低于探头灵敏度的电荷积聚所有的试样加压3 ?#25105;?#21518;与只加压1 次相比较整体电荷积聚量均?#24615;?#21152;累积加压以会增加试样表面积聚电荷量不同的试样由于烧结温度和保温时间的导致不同试样表面的陷阱密度不同积聚的电荷量也有所不同试样D ?#32435;?#32467;温度较高并且保温时间最长因此在同等试验条件下其表面电荷的积聚量最大

        (3) 对不同试样进行了消散特?#32536;?#35797;验试验结果表明加压静置1 h四种试样的电荷平均消散程度都小于10%因此可?#36828;隙?#22312;测量过程中电荷的消散对试验结果影响较小保证了试验所得数据的准确性和可分析性

        真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚和消散特?#32536;?#30740;究为真空技术网首发转载请以链?#26377;?#24335;标明本文首发网址

        http://www.ismp.tw/Vacuum-Electronics/116857.html

        与 真空电子技术 真空,绝缘子 相关的文?#34385;?#38405;读

        真空电子技术http://www.ismp.tw/Vacuum-Electronics/

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