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《华北电力大学》 2001年
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真空中绝缘子沿面预闪络和闪络现象的研究

丁立健  
【摘要】: 真空中绝缘子沿面闪络现象是制约高功率微波管、脉冲功率开关、高能粒子加速器等系 统性能的主要原因,这是因为真空中绝缘子在一个比自身及相同真空间隙击穿电场低得多的 电场下就发生了表面闪络的缘故,研究真空中绝缘子沿面闪络现象及其形成机理对于改善和 提高系统性能有重要意义。 本文以真空绝缘体系中最常用的绝缘材料——高纯度氧化铝陶瓷材料(氧化铝含量在 99%以上)为研究对象,通过对不同烧结温度、不同添加剂和不同表面状态等情况下的陶瓷 绝缘子在冲击电压(0.7/4μs)作用下真空中的沿面闪络特性(沿面预闪络现象、沿面闪络电 压等)以及绝缘子表面带电特性的试验,研究了材料的加工工艺和表面处理方法等对陶瓷材 料在真空中沿面闪络性能的影响规律,并对绝缘子在真空中沿面闪络发展形成的机理进行了 探索。 本文主要完成了以下工作: 1.通过设计加工真空及试验电极系统,研制E-dot冲击电压测量系统、真空中表面电荷 测量系统、冲击电流和表面微弱光信号测量系统,建成了国内第一套用于研究真空中绝缘子 沿面闪络现象的试验平台。利用本试验平台,能够同时观察并实时记录在冲击电压作用下绝 缘子上的冲击电压、电流以及绝缘子表面的微弱光信号的波形,同时还能够在不影响真空度 的情况下对绝缘子表面的电荷分布进行测量。 2.本文首次把脉冲电压下真空中绝缘子沿面预闪络现象与绝缘子表面带电特性结合起来 同时进行观测研究,深入系统地研究了氧化铝陶瓷在真空中的沿面预闪络现象和表面带电现 象。首次发现了大量的、重复性的反向预闪络现象,即在冲击电压波尾附近电压幅值已经接 近零、甚至在冲击电压作用完后(已没有电压)的情况下仍然存在试样表面发光现象,同时 伴有反向的电流脉冲。研究还发现并证实了预闪络现象与表面带电现象之间的相互关系,即 只有在加压时存在预闪络现象时才会有绝缘子表面电荷分布的变化。分析表明,反向预闪络 现象与材料的陷阱分布有关,试样中电极附近的陷阱中心俘获载流子后所形成的空间电场的 作用是产生这一现象的原因;预闪络现象和表面带电现象都是由于绝缘子表面陷阱中心俘获 载流子形成空间电场造成局部场强过强引发的局部放电形成的。 3.通过研究用不同工艺制备的氧化铝陶瓷绝缘子(同一材料配方不同烧成工艺、同样氧 化铝含量不同添加剂)在冲击电压作用下在真空中的沿面闪络特性和表面带电特性,首次深 入系统地探索了材料微观结构对陶瓷材料沿面闪络性能的影响规律。通过研究发现,对于同 组分的陶瓷材料来说,如果材料的晶粒越小,分布越均匀,缺陷越少,则该材料的沿面闪络 电压就越高。研究还发现,未加添加剂的陶瓷绝缘子在真空中的沿面闪络特性与其在真空中 的预闪络特性和表面带电特性直接相关,对于同组分陶瓷绝缘子,不易形成预闪络现象和表 面不易带电的陶瓷绝缘子具有较高的沿面闪络电压。本研究结果为评价材料在真空中的沿面 闪络性能提供了一个参考标准,对正确选择真空用陶瓷绝缘材料有重要意义。 4.首次深入系统地研究了各类氧化铝陶瓷绝缘子分别进行表面研磨处理后的各种试样在 冲击电压作用下真空中的沿面闪络特性和表面带电特性。试验发现,在一定程度上,表面粗 糙度可以作为一个评价表面研磨处理对材料沿面闪络特性影响的指标,采用碳化硅磨料对氧 化铝陶瓷进行处理后,如果材料的表面粗糙度越高,则其沿面闪络电压越低。这对于指导如 何对材料进行表面处理以提高材料沿面闪络特性具有重要意义。 5.根据试验研究结果本文首次提出了基于陷附的真空中绝缘子沿面闪络发展模型。对于 沿面闪络发展阶段。本文认为存在两种机制,其一是初始电子与界面相互作用产生二次电子 造成的电子倍增过程,其二是由于绝缘子中陷阶俘获载流子形成的正负电荷中心受激发而在 局部区域形成局部放电(预闪络现象以及表面带电现象)造成的电子倍增过程。电子倍增的 过程与材料的表面态直接相关,材料微观结构的变化和材料的表面处理都能够导致材料表面 态的变化,引起材料的表面二次电子发射系数以及材料中陷阶密度和分布的改变,从而影响 了电子倍增的过程,并进一步改变或影响了沿面闪络的发展过程。利用上述模型能够成功地 解释试验中的一系列试验现象和试验结果。
【学位授予单位】:华北电力大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TM216

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【引证文献】
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【同被引文献】
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【二级参考文献】
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7 周倩;组合电器局部放电超高频信号数学模型构建和模式识别研究[D];重庆大学;2007年
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9 陈玉;环氧复合材料快脉冲真空闪络特性研究[D];西安交通大学;2008年
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