高儲能密度液體介質的脈衝絕緣特性

《高儲能密度液體介質的脈衝絕緣特性》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由張自成擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高儲能密度液體介質的脈衝絕緣特性
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張自成
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

緊湊重頻Tesla型脈衝發生器具有結構緊湊、能量效率高、可重頻運行的特點，符合高功率、長脈寬、高重頻、緊湊化、小型化的發展方向，得到了廣泛的發展和套用。但受限於液體介質的儲能密度，輸出脈寬和功率有限。因此，開展微秒脈衝充電下多種液體介質儲能特性的研究，探討液體介質擊穿的物理機制，具有重要的學術和套用價值。本項目研究內容主要包括：開展蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯/碳酸乙烯酯在內的多種液體介質儲能特性的研究，優選出適宜液體儲能介質；開展潛力型液體介質增加添加劑、載入氣壓、去除氣體的研究，證實載入氣壓對多種液體介質的普適性，氣體含量的影響及其原因；開展優選液體介質套用於緊湊重頻脈衝發生器研究，顯著提高儲能密度；採取光學診斷方法獲取液體介質擊穿的物理圖像，並進行譜圖和強度分析，最佳化液體介質擊穿的物理模型，解釋一系列實驗現象；開展液體介質工程化套用研究，為高儲能密度液體介質的套用展示良好的套用前景。

結題摘要

脈衝功率技術的重要發展方向是高功率、長脈衝和輕型緊湊化。液體介質由於具有儲能密度高、流動散熱性能好、自我恢復性能強、易於成型等方面的特色，因此被廣泛地套用於脈衝功率系統關鍵部件脈衝形成線(Pulse Forming Line, PFL)中作為儲能介質。本項目提出了針對高儲能密度液體介質開展微秒脈衝絕緣特性研究的技術方案，分別進行脈衝絕緣特性、擊穿物理機制以及工程化套用的基礎研究，難點是優選出適宜的液體儲能介質、獲取物理圖像提出擊穿模型、開展工程化套用實踐。項目組通過運用建立的液體介質微秒脈衝擊穿試驗平台及其擊穿測量診斷手段，在微秒脈衝情形下開展了蓖麻油、乙醇、乙二醇、丙三醇、碳酸丙烯酯、去離子水等多種高儲能液體介質儲能特性的研究，採用Weibull分布統計的方法獲取了液體介質擊穿機率分布，解決了多種液體介質脈衝絕緣特性分析對比的難題；採用超高速相機HSFC-PRO及其同步觸發技術，解決了光學診斷的難題；採用真空注入、分子膜過濾、離子交換的方式，解決了丙三醇套用於緊湊重頻Tesla變壓器型脈衝功率發生器PFL的絕緣難題。通過解決上述關鍵技術難題，取得成果如下：基於脈衝擊穿試驗和統計分析方法，建立了液體介質脈衝擊穿的資料庫，優選出目前最適宜的液體儲能介質是丙三醇，最具潛力的是碳酸丙烯酯，並且在碳酸丙烯酯中添加碳酸乙烯酯、間二甲苯、納米粒子和載入靜壓，可提高儲能密度1倍；通過分析擊穿瞬間流注、衝擊波、亞微觀斷裂面產生、傳播、截止的圖像，並結合非晶態能帶與Griffith張力理論建立了高儲能密度液體介質擊穿物理模型；通過解決高儲能密度液體介質套用於脈衝形成線的淨化處理及其絕緣配合難題，開展了高儲能形成線型緊湊脈衝功率發生器的實驗研究，將丙三醇套用於緊湊脈衝形成線作為儲能介質，將脈衝功率發生器的能量密度和輸出脈寬分別提高了3倍，從而使得脈衝功率發生器的功率密度提高了3倍，顯著提高了脈衝功率發生器的緊湊化程度。總體而言，項目組通過液體介質脈衝儲能特性的研究，對高儲能密度脈衝電容器的研發提供了有益的指導參考，為液體介質在脈衝電容器的套用方面奠定了堅實的基礎，展示出良好的套用前景。