納秒脈衝下準均勻場中絕緣材料累積擊穿機理研究

《納秒脈衝下準均勻場中絕緣材料累積擊穿機理研究》是依託西北核技術研究院，由趙亮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納秒脈衝下準均勻場中絕緣材料累積擊穿機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙亮
• 依託單位：西北核技術研究院

項目摘要

納秒及亞納秒等短脈衝下固體絕緣材料的失效多表現為耐受一定脈衝數後的體擊穿。獲得短脈衝下準均勻電場中固體絕緣材料的累積擊穿圖像並研究其擊穿機理，對提高絕緣材料的壽命以及實現脈衝功率裝置的小型化具有現實意義。本項目擬在充分調研短脈衝條件下固體絕緣材料擊穿相關實驗及理論的基礎上，建立一套可線上觀測絕緣材料內部放電通道發展的透射式顯微鏡成像裝置，以實際中常用的有機玻璃、聚苯乙烯等透明材料為測試對象，從實驗上獲得準均勻電場條件下絕緣材料內部放電通道發展的物理圖像，並根據圖像概括出擊穿發展的特徵。結合直流、交流以及微秒脈衝下絕緣材料老化擊穿已有的理論，包括電極電子注入、氣隙充放電以及能量沉積等，對所歸納的特徵進行分析，力圖概括出短脈衝下絕緣材料累積擊穿發展的內在物理機制。本項目的研究結果將為高壓裝置，尤其是脈衝功率裝置中的固體絕緣設計提供參考依據。

結題摘要

在脈衝功率裝置中，固體絕緣介質是不可缺少的組成部分。隨著脈衝功率技術向“高功率、高重複頻率和小型化”方向發展，如何避免絕緣材料在納秒及亞納秒等短脈衝條件下發生擊穿現象，成為一個亟待解決的問題。 為研究納秒脈衝下絕緣材料的累積擊穿現象和壽命問題，本文首先基於Tesla 變壓器技術路線，建立了輸出參數為電壓幅值300 kV、脈寬10 ns、最高重頻10 Hz 的納秒脈衝實驗裝置，為本文開展的相關實驗奠定基礎。其次建立了可線上診斷絕緣材料內部放電通道發展的透射式顯微鏡成像裝置，以脈衝功率領域常用的有機玻璃、聚苯乙烯等材料為對象，完成了納秒脈衝下有機玻璃的累積擊穿實驗，首次獲得了近似均勻場中有機玻璃放電通道發展過程的完整物理圖像。結合圖像，歸納了該條件下絕緣材料的累積擊穿特徵，包括：始於陰極附近、呈樹枝狀向陽極發展、擊穿後的通道呈孔洞狀以及通道增長具有先慢後快的特點。 分析了電極電子注入、聚合物長鏈斷裂、氣隙充放電以及能量沉積等因素在放電通道增長過程中的作用，概括了納秒脈衝條件下絕緣材料的累積擊穿機制。結合累積擊穿機制，提出應該將電極與絕緣材料看成一個系統，應當從系統的角度來提高絕緣材料的壽命。具體可行的辦法除傳統的電極拋光外，還有如下方法：（1）在電極與介質分界面增加擊穿閾值較高的絕緣膜；（2）在介質表面鍍金屬膜。實驗證明，這兩種方法可以將絕緣材料的壽命提高至少1個量級。同時，針對體絕緣材料隨厚度閾值下降較快的問題，提出了“多膜熱壓絕緣材料”，該材料相對傳統的體絕緣材料，壽命仍然會有大幅度提高。