圆形平板电极与薄膜层叠结构的沿面闪络性能
电磁脉冲模拟装置是强电磁脉冲试验不可或缺的设备,尤其是在全面禁止核试验的现在,检验电子系统的核电磁脉冲防护能力主要依赖于模拟试验。模拟装置按照特定的用途来设计,为试验对象提供特定的电磁脉冲环境,其产生的电磁场幅度、均匀性、波阻抗、入射方向、极化方向等必须符合特定的要求,通过模拟试验获得受试对象在特定电磁脉冲环境下的响应[1-2]。MV级电磁脉冲模拟装置常采用两级脉冲压缩的技术方案,其中作为第二级抖化回路储能器件的陡化电容器是决定整个模拟装置性能的关键器件之一[3-7]。陡化电容器主要包括平板型和同轴型两类,一般采用基于金属电极和聚合物薄膜介质的层叠结构,薄膜介质材料由于薄层强化效应具有优越的体绝缘性能,金属电极和薄膜介质依次层叠,薄膜介质伸出电极边缘一定距离以提高耐受沿面电压的能力。陡化电容器常采用SF6气体进行绝缘,其结构简单,易于设计和制作,和陡化开关配合对脉冲源前级波形进行调整和压缩。金属电极与薄膜介质层叠结构的绝缘性能是设计陡化电容器的基础,SF6气体中不同结构绝缘子在不同形式加载电压、不同气压和不同电极结构条件下的沿面闪络特性得到了广泛的研究,但是对于纳秒脉冲下层叠结构的闪络性能研究鲜见报道。本文基于400 kV纳秒脉冲实验平台,研究了圆形平板电极与聚丙烯薄膜材料层叠结构的沿面闪络性能,获得了其闪络特性的基本规律。
1 实验平台和实验方法
实验平台如
图 1. Experimental platform and its output voltage
Fig. 1. Experimental platform and its output voltage
实验电极采用
实验方法为前沿闪络法。调节Marx充电电压,使其输出一足以让所有沿面闪络发生在前沿的高幅值脉冲,并固定该状态,在该状态下开展所有的沿面闪络实验。每个条件下重复20次实验,之后计算该条件下的平均值和均方差。实验间隔在1 min以上。实验考查的影响因素包括:电极厚度、电极与介质之间是否存在气隙、硅橡胶喷涂电极、SF6气压、介质层数和介质伸出长度。
2 实验结果
2.1 改变三结合点处电场分布的影响
本文中采用了改变电极厚度、增加气隙和涂覆有机硅等方法改变三结合点处电场分布。
采用
图 3. Influence of the electrodes thickness and the interspace on the field distribution and the flashover performance电极厚度和气隙对层叠结构电场和闪络性能影响(图(a)中虚线表示电极的边缘,横坐标表示与电极边缘的相对位置)
Fig. 3. Influence of the electrodes thickness and the interspace on the field distribution and the flashover performance电极厚度和气隙对层叠结构电场和闪络性能影响(图(a)中虚线表示电极的边缘,横坐标表示与电极边缘的相对位置)
气隙的引入也可以改变三结合点处电场分布,从
采用小型喷枪,在层叠结构的三结合点处喷涂了厚度约为1 mm的硅橡胶材料,以降低三结合点处电场。从
图 4. Influence of the silicon coating on the flashover performance硅橡胶涂层对层叠结构沿面闪络性能的影响
Fig. 4. Influence of the silicon coating on the flashover performance硅橡胶涂层对层叠结构沿面闪络性能的影响
2.2 SF6气体气压的影响
气压是影响绝缘结构绝缘性能的一个重要因素,气压升高后,电子的平均自由程减小,电子在引发碰撞电离前累积的能量需要在更高的电场条件下才能实现,从而提高了耐压。然而,SF6气体是一种对电场强度极为敏感的电负性气体,当电场强度增加,电子能量较大时,很难形成稳定的负离子,因此SF6在极不均匀场下其绝缘性能相对空气并没有提高很多,
图 5. Flashover performance comparison of air and SF6 under inhomogeneous field 极不均匀场中空气和SF6气体绝缘性能对比
Fig. 5. Flashover performance comparison of air and SF6 under inhomogeneous field 极不均匀场中空气和SF6气体绝缘性能对比
图 6. Flashover voltage under different pressures不同气压下的沿面闪络性能
Fig. 6. Flashover voltage under different pressures不同气压下的沿面闪络性能
2.3 介质层数的影响
圆形平板电极和薄膜层叠结构与绝缘堆[12]的结构非常类似,金属电极的引入,通过容性分压方式提高了正负电极之间电场分布的均匀性,降低了场不均匀系数,从而提高了单位长度的绝缘性能。本文对不同介质层数的层叠结构开展了闪络实验,实验结果如
图 7. Influence of the number of the dielectric layers介质层数对沿面闪络性能的影响
Fig. 7. Influence of the number of the dielectric layers介质层数对沿面闪络性能的影响
其中n为介质层数。
单层介质的沿面闪络电压约为181 kV,增加一层介质后沿面闪络电压提高约42 kV,占单层的比例约为23.2%。需要特别说明的是,增加介质层数后,层叠结构作为负载,其等效电容会减小,导致加载脉冲前沿的dU/dt增加,而对于同一个绝缘结构,当加载脉冲的前沿变陡后,其沿面闪络电压一般会提升。因此,对于同一个纳秒脉冲,增加一层介质后层叠结构闪络电压提高的比例可能会小于23.2%。
2.4 介质伸出长度的影响
调整薄膜介质伸出长度不会影响三结合点处电场,但是如果流注通道要在相邻两个电极之间贯通,必须击穿薄膜介质或者沿薄膜介质外表面发展,由
图 8. Influence of the stretched length of the dielectrics介质伸出长度对介质表面电场分布与沿面闪络性能的影响(图(a)中箭头表示介质边缘的电场)
Fig. 8. Influence of the stretched length of the dielectrics介质伸出长度对介质表面电场分布与沿面闪络性能的影响(图(a)中箭头表示介质边缘的电场)
3 分析和讨论
气体氛围中绝缘介质表面的沿面闪络情况跟真空中不同,介质表面被气体覆盖,气体分子参与了绝缘介质闪络的起始、发展和贯穿的整个过程,闪络的发生一般被认为是绝缘介质表面气体的击穿,介质的表面特性在放电过程中起着促进或者抑制的作用。本文研究的纳秒脉冲放电,其放电持续时间在30 ns甚至数ns以内,质量相对较大的离子和分子在闪络发展过程中可以认为是静止的,闪络发展的过程基本上可以认为是一个电子过程,可以从流注理论的角度来解释该现象。
经典的流注理论认为,有效初始电子产生后,通过碰撞电离形成初始电子崩,并持续发展,当初始电子崩头部电荷数量大于一临界值时,在电子崩头部空间电荷形成电场和背景电场的共同作用下,电子崩可以自持发展,流注形成,此时起主导作用的电离方式是光电离。流注形成后,即认为间隙发生了击穿。上述结论是在均匀场条件下建立的,假设在文中条件下,流注形成判据的一般形式仍和均匀场一致[13],为
式中:
其中p为气体介质的气压。
电子崩的发展和电子漂移速度
其中
层叠结构的电场分布是极不均匀场,其表面的电场分布可以通过电场仿真软件计算获得。以
加载电压为纳秒脉冲,闪络方式为前沿闪络,假设加载电压
则不同时刻不同位置层叠结构薄膜表面电场可以表示为
将式(4)和式(5)代入式(3),可以得到表征电子崩发展距离和时间的关系式
其关系如
图 9. Relationship between time and drift distance
Fig. 9. Relationship between time and drift distance
将式(2)、式(5)和式(6)同时代入式(1),可以得到电子崩临界长度和K值的关系,以及发展到临界长度时对应的脉冲电压,如
图 10. Critical length and its corresponding voltage under different K
Fig. 10. Critical length and its corresponding voltage under different K
文献[17]给出的流注维持电场在40~50 kV/cm·atm之间,按照
综上,本文研究的圆形平板电极与薄膜层叠结构,其电场是典型的极不均匀场,由电场计算可知,闪络发生时,三结合点处电场可能是绝缘气体在稍不均匀场条件下击穿场强的几十甚至上百倍,因此,在较低的电压下即出现滑闪现象。同时,采用增厚电极、增加气隙、涂覆有机硅材料等方法虽然能有效降低三结合点处电场,减小高场强区域的范围,但三结合点处电场仍然处在一个很高的幅值,并且这些方法对三结合点之外的介质表面电场分布影响很小,所以不能有效提高层叠结构的沿面闪络电压。增加介质层数和增长介质伸出长度,可以显著降低流注发展路径上的背景电场,流注发展过程中因背景电场过低而熄灭,所以能有效提升层叠结构的闪络电压。
4 结 论
采用了前沿闪络的方法,在SF6气体氛围中开展了圆形平板电极与薄膜介质层叠结构的沿面闪络性能研究,得到了以下结论:
(1)改变圆形平板电极厚度、电极边缘是否存在气隙和在电极边缘硅橡胶涂覆均不能明显改变层叠结构的沿面闪络性能;
(2)改变SF6气压能提高层叠结构的沿面闪络电压,但是存在一个饱和趋势,气压提高到一定程度便无法再提高其沿面闪络电压;
(3)增加介质层数和延长介质伸出长度均能有效提高层叠结构的沿面闪络性能,该方法可作为提高此类电容器沿面闪络性能的重要途径。
(4)对于拥有极不均匀场的绝缘结构,降低闪络过程中流注发展路径上的背景电场可以有效提高其沿面闪络性能。
[1] 邱爱慈. 脉冲功率技术应用[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 2016.Qiu Aici. Application of the pulse power technology. Xi′an: Shaanxi Science Technology Press, 2016
[2] 毛从光, 程引会, 谢彦召. 高空电磁脉冲技术基础[M]. 北京: 科学出版社, 2018.Mao Congguang, Cheng Yinhui, Xie Yanzhao. Technological base of HEMP. Beijing: Science Press, 2018
[4] les G, Lam S K, Naff J T, et al. Design perfmance of the FEMP2000: A fast risetime, 2 MV EMP pulser[C]12th IEEE International Pulsed Power Conference. 1999: 14371440.
[5] Schilling H, Schluter J, Peters M, et al. High voltage generat with fast risetime f EMP simulation[C]10th IEEE International Pulsed Power Conference. 1995: 13591364.
[6] 陈维青, 何小平, 贾伟, 等. 2.5 MV快沿电磁脉冲模拟器脉冲功率源的研制[C]第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会. 北京: 中国电子学会核电子学与核探测技术分会, 2008: 689693.Chen Weiqing, He Xiaoping, Jia Wei, et al. Development of a 2.5 MV fast pulse generat f EMP simulation14th National Conference on Nuclear Electronics & Detection Technology. Beijing: Nuclear Electronics Detection Technology Branch, China Electronic Academy, 2008: 689693
[7] 陈志强, 贾伟, 汤俊萍, 等. 同轴薄膜电容器结构参数的优化设计[J]. 现代应用物理, 2019, 10:010502. (Chen Zhiqiang, Jia Wei, Tang Junping, et al. An optimal design method for structural parameters of coaxial film capacitors[J]. Modern Applied Physics, 2019, 10: 010502
[8] 陈志强, 贾伟, 何小平, 等. 平行板电极边缘滑闪引起加载电压的“双峰”现象[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:070005. (Chen Zhiqiang, Jia Wei, He Xiaoping, et al. The double peak phenomenon of applied pulse voltage induced by the flashover around the parallel-plate electrodes[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 070005
[10] Atushi B, Kazuo I. Drawing and annealing effects on thermally stimulated currents in polypropylene films[J]. Journal of Applied Physics, 1992, 72(1): 2057-2059.
[11] 徐航, 杜伯学, 苏金刚. 拉伸状态下聚丙烯/聚烯烃弹性体共混物的空间电荷和陷阱分布特性[J]. 高电压技术, 2017, 43(2):453-459. (Xu Hang, Du Boxue, Su Jingang. Space charge behaviors and trap distributions of polypropylene/polyolefin elastomer blend under different elongation ratios[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(2): 453-459
[12] 马勋, 邓建军, 姜苹, 等. 高压径向均压绝缘堆设计[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26:105004. (Ma Xun, Deng Jianjun, Jiang Ping, et al. Design of high-voltage hold-off radial insulator stack with grading rings[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26: 105004
[13] Jane L, Pralhad R. Foundations of pulsed power technology[M]. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2017: 410413.
[14] 邵涛, 严萍, 张适昌, 等. 纳秒脉冲气体放电机理探讨[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(11):1928-1932. (Shao T, Yan P, Zhang Shichang, et al. Review on nanosecond-pulse discharge mechanism in gases[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(11): 1928-1932
[15] 严璋, 朱德恒. 高电压绝缘技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007: 151152.Yan Zhang, Zhu Deheng. Technology of high voltage insulation. Beijing: China Electric Power Press, 2007: 151152
[16] Gennady A M. Pulsed power[M]. New Yk: Springer, 2005: 5657.
[17] Pinnekamp F, Niemeyer L. Qualitative model of breakdown in SF6 in inhomogeneous gaps[J]. Journal of Applied Physics, 1983, 16(7): 1293-1320.
Article Outline
陈志强, 贾伟, 谢霖燊, 郭帆, 王程程, 何小平, 吴伟, 汲胜昌. 圆形平板电极与薄膜层叠结构的沿面闪络性能[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32(2): 025017. Zhiqiang Chen, Wei Jia, Linshen Xie, Fan Guo, Chengcheng Wang, Xiaoping He, Wei Wu, Shengchang Ji. Flashover characteristics of laminate structure composed of round parallel-plate electrodes and polymer film dielectrics[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32(2): 025017.