絕緣材料高壓氣體沿面閃絡(luò)特性研究

孫 旭， 張喜波， 劉 勝， 王利民， 王俊杰， 范紅艷

(高功率微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024； 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)源的小型化對(duì)絕緣材料提出了更高的要求。絕緣材料的性能在一定程度上決定了驅(qū)動(dòng)源的大小。材料的絕緣性能與施加的脈沖時(shí)間是相關(guān)的，通常承受的電壓時(shí)間越長(zhǎng)，耐受的電壓值也越低。Tesla型脈沖功率源可以產(chǎn)生吉瓦到數(shù)十吉瓦的高功率電子束，它的充電時(shí)間也從幾十微秒到百微秒[1]。高功率的Tesla型脈沖源通常使用高壓氣體火花開關(guān)作為放電開關(guān)[2-3]，氣體開關(guān)與脈沖形成線之間的絕緣板在固-氣界面易發(fā)生沿面閃絡(luò)。近年來，研究人員對(duì)氣體中絕緣子沿面閃絡(luò)現(xiàn)象開展了相關(guān)研究[4-5]，認(rèn)為它的發(fā)生過程與氣體放電相同，可以用經(jīng)典流注機(jī)理予以解釋：場(chǎng)致電子發(fā)射提供的種子電子沿電場(chǎng)方向遷移，與表面氣體層碰撞電離形成電子崩；電子崩在光電子作用下進(jìn)一步發(fā)展成為流注放電；流注放電(或轉(zhuǎn)化成先導(dǎo)放電)導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)。另一方面，氣體沿面閃絡(luò)相對(duì)氣體放電的發(fā)展過程更為復(fù)雜：絕緣材料表面電荷積累導(dǎo)致電場(chǎng)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變；帶電質(zhì)點(diǎn)在垂直分量的電場(chǎng)作用下轟擊絕緣材料表面會(huì)產(chǎn)生大量的二次電子，使得放電更容易產(chǎn)生和向前發(fā)展。文獻(xiàn)[6-7]研究了通過在絕緣子表面刻槽來提高真空中的沿面閃絡(luò)電壓的問題，文獻(xiàn)[8]研究了百納秒脈沖下絕緣材料沿面閃絡(luò)特性，而在微秒脈沖下高壓氣體環(huán)境中通過刻槽來提升絕緣材料沿面閃絡(luò)電壓的研究相對(duì)較少。本文對(duì)幾十微秒脈沖作用下高壓氮?dú)庵胁牧媳砻嫘蚊矊?duì)閃絡(luò)電壓的影響展開研究。

1 絕緣測(cè)試平臺(tái)

為研究高壓氣體中絕緣材料表面形貌對(duì)沿面閃絡(luò)的影響，研制了一個(gè)絕緣測(cè)試平臺(tái)，工作原理如圖1所示，初級(jí)儲(chǔ)能電容C1為4.3 nF；充電電感L為0.5 H；R為回路的總阻抗，包括電感電阻和火花通道電阻等，其值約為幾kΩ；T為同軸線，其電容值C2≈200 pF。高壓直流電源(最高輸出電壓350 kV)對(duì)高壓電容器C1進(jìn)行充電，電壓達(dá)到一定幅值后，高壓氣體火花開關(guān)導(dǎo)通，C1通過電感L對(duì)同軸線T進(jìn)行諧振充電。裝置圖片如圖2所示。

圖1 高電壓平臺(tái)電路原理Fig.1 Circuit diagram of high voltage platform

1-HV input; 2-Primary capacitor and charging inductor;3-Gas spark switch; 4-Secondary capacitor; 5-Sample cavity.圖2 高電壓平臺(tái)實(shí)物Fig.2 High-voltage platform

使用Pspice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示，高壓電源電壓為100 kV時(shí)的輸出電壓峰值可達(dá)180 kV，理論上的諧振倍壓為1.8。同樣電源電壓下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際輸出波形如5所示，此時(shí)輸出電壓的峰值約160 kV，諧振倍壓1.6，比理論值稍低。

圖3 PSpice仿真電路Fig.3 PSpice simulation circuit

圖4 PSpice仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result using PSpice

圖5 測(cè)試樣品未閃絡(luò)時(shí)的電壓波形Fig.5 Voltage waveform when flashover not occur

圖5是測(cè)試樣品不發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的波形，可以看到：氣體火花開關(guān)閉合后，電壓有一個(gè)下降的臺(tái)階，而后開始阻尼振蕩；輸出為負(fù)脈沖，第一個(gè)峰值到達(dá)的時(shí)間約30 μs。

測(cè)試樣品發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的電壓波形，如圖6所示。電壓達(dá)到第一個(gè)峰值前發(fā)生了閃絡(luò)，如圖6(a)所示；在第二個(gè)峰值時(shí)發(fā)生了閃絡(luò)，如圖6(b)所示。實(shí)驗(yàn)中閃絡(luò)電壓值的判斷以圖6(a)為準(zhǔn)。氣體火花開關(guān)閉合后，電壓的突變會(huì)導(dǎo)致波形出現(xiàn)臺(tái)階。

(a) First voltage peak

(b) Second voltage peak

2 平板結(jié)構(gòu)尼龍和有機(jī)玻璃閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)

在該絕緣測(cè)試平臺(tái)上，對(duì)平板結(jié)構(gòu)的MC尼龍(以下簡(jiǎn)稱“MC尼龍”)和有機(jī)玻璃開展了閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)腔的氮?dú)鈿鈮簽?.4 MPa。圖7為電極夾持樣品的方式，陰極半徑為62 mm，陽極半徑為104 mm。陰極倒角半徑R為10 mm，使用電磁仿真軟件計(jì)算陰極倒角處的場(chǎng)增強(qiáng)因子為2.5。

圖7 樣品與電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of sample and electrodes

所研究MC尼龍和有機(jī)玻璃各使用5個(gè)樣品開展實(shí)驗(yàn)，每個(gè)樣品每次實(shí)驗(yàn)記錄20次閃絡(luò)數(shù)據(jù)。圖8所示為MC尼龍和有機(jī)玻璃表面閃絡(luò)痕跡，可以看到閃絡(luò)通道分散在圓周周圍，有機(jī)玻璃表面的閃絡(luò)痕跡比尼龍明顯，這是由兩者之間熔點(diǎn)的差異引起的。使用韋伯統(tǒng)計(jì)分析工具[9]處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),圖9為使用韋伯分布將上述兩種絕緣材料沿面閃絡(luò)電壓擬合出直線，有機(jī)玻璃的函數(shù)為y=49.85x-624.2，尼龍的函數(shù)為y=15.57x-192.3，其中x=lnV為閃絡(luò)電壓V的自然對(duì)數(shù)值，y=lnK為閃絡(luò)發(fā)生概率K的自然對(duì)數(shù)。

(a) Nylon

(b) PMMA

根據(jù)所得擬合的韋伯分布函數(shù)方程，可計(jì)算閃絡(luò)發(fā)生概率為0.1%時(shí)(K=0.1，y=6.907)有機(jī)玻璃的閃絡(luò)電壓值為238 kV，此時(shí)有機(jī)玻璃沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為64 kV·cm-1，陰極座最大電場(chǎng)強(qiáng)度為185 kV·cm-1；尼龍的閃絡(luò)電壓值為148 kV，此時(shí)尼龍沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為39 kV·cm-1，陰極座最大電場(chǎng)強(qiáng)度為150 kV·cm-1；有機(jī)玻璃的沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度是尼龍的1.64倍。造成兩者差異的一個(gè)原因是相對(duì)介電常數(shù)不同，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)越高，造成固-氣界面的場(chǎng)增強(qiáng)越強(qiáng)。所用MC尼龍的相對(duì)介電常數(shù)為4.5，所用有機(jī)玻璃的相對(duì)介電常數(shù)為3.3，兩者之比為1.36，與閃絡(luò)發(fā)生概率為0.1%時(shí)，有機(jī)玻璃與尼龍沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值之比1.64比較接近。

圖9 兩種絕緣材料沿面閃絡(luò)電壓的韋伯分布擬合Fig.9 Weibull distribution fitting of two insulators’ flashover voltage

3 不同刻槽結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)了圖10(a)和圖10(b)兩種刻槽有機(jī)玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種結(jié)構(gòu)采用不同樣片實(shí)驗(yàn)5次。圖10(a)所刻槽為底部角度130°的三角形結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)為8 mm；圖10(b)所刻槽為上凸下凹均為半徑4 mm的半圓形結(jié)構(gòu)。使用絕緣測(cè)試平臺(tái)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)腔的氮?dú)鈿鈮簽?.4 MPa。

(a) Triangular

(b) Semicircular

圖10兩種不同刻槽結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃局部示意圖
Fig.10SchematicoftwodifferentgroovedPMMAs

圖11(a)和圖11(b)對(duì)應(yīng)為兩種刻槽結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃沿面閃絡(luò)的痕跡。從圖11(a)可以看到三角形刻槽的閃絡(luò)痕跡基本沿著所刻槽的表面；從圖11(b)可以看到半圓形刻槽的閃絡(luò)痕跡主要在上凸半圓上,說明半圓形刻槽對(duì)沿面放電通道起到一定抑制作用，使得刻槽間隙的放電不再是沿面放電，而是氣體放電。電場(chǎng)方向與所刻槽之間存在夾角，垂直材料表面的電場(chǎng)分量阻礙了電子運(yùn)動(dòng)。

(a) Triangular

(b) Semicircular

圖11兩種不同刻槽結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃沿面閃絡(luò)痕跡圖
Fig.11FlashovertracesoftwodifferentgroovedPMMA

圖12為平板、三角刻槽和半圓刻槽3種結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃的閃絡(luò)電壓幅值大小對(duì)比。圖中記錄了1個(gè)樣片20次發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的電壓數(shù)據(jù)，對(duì)這些電壓數(shù)據(jù)從大到小進(jìn)行了排列。從圖12可以看到，3種結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃閃絡(luò)電壓平均值大小關(guān)系為：半圓刻槽>三角刻槽>平板。5次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本吻合。

圖12 平板和刻槽結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃閃絡(luò)電壓對(duì)比Fig.12 Flashover voltage of plate and grooved PMMA

圖13為將圖12中沿面閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)使用韋伯分布進(jìn)行擬合，三角形刻槽的函數(shù)為y=14.43x-182.6，半圓形刻槽的函數(shù)為y=24.52x-312.2。所擬合的直線外延與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)反映閃絡(luò)電壓的數(shù)值大小。

圖13 3種不同表面形貌有機(jī)玻璃韋伯分布擬合直線的對(duì)比Fig.13 Weibull distribution Fitting line of three PMMAs with different surface topography

從圖13可以看到3條直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)值大小關(guān)系為：半圓刻槽>平板>三角刻槽，三角形刻槽的沿面閃絡(luò)電壓在實(shí)驗(yàn)中較平板有提升，但是閃絡(luò)發(fā)生概率為0.1%時(shí)的電壓低于平板結(jié)構(gòu)。根據(jù)函數(shù)計(jì)算閃絡(luò)發(fā)生概率為0.1%時(shí)的閃絡(luò)電壓值，三角形刻槽閃絡(luò)電壓為194 kV，此時(shí)沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為52 kV·cm-1，陰極座最大電場(chǎng)強(qiáng)度為151 kV·cm-1；半圓形刻槽閃絡(luò)電壓為255 kV，此時(shí)沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為69 kV·cm-1，陰極座最大電場(chǎng)強(qiáng)度為198 kV·cm-1。

4 結(jié)論

本文利用諧振電路原理研制了1個(gè)350 kV級(jí)的高壓絕緣測(cè)試平臺(tái)，使用該平臺(tái)對(duì)絕緣子在高壓氣體環(huán)境下的沿面閃絡(luò)問題展開了實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，平板結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃閃絡(luò)時(shí)的沿面最大電場(chǎng)強(qiáng)度比平板尼龍高，原因之一是它們的相對(duì)介電常數(shù)不同，介電常數(shù)越高造成固-氣界面的場(chǎng)增強(qiáng)越強(qiáng)。三角形刻槽對(duì)有機(jī)玻璃沿面閃絡(luò)沒有改善，半圓形刻槽則改善效果比較明顯。半圓形刻槽對(duì)沿面閃絡(luò)的改善可以從以下3個(gè)方面解釋：沿面閃絡(luò)的路徑加長(zhǎng)；電場(chǎng)方向與絕緣材料表面存在夾角，阻礙了電子沿表面的運(yùn)行；槽內(nèi)的表面電荷積累產(chǎn)生反向電場(chǎng)抑制電子沿電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)。

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