快脉冲下液体介质击穿实验装置及击穿特性研究

摘要

高功率快脉冲技术在核物理技术、电子束、加速器、激光、HPM现代科学技术领域都有广泛的应用。高功率超宽带脉冲的产生、变换及传输中大量使用液体绝缘介质，其性能的好坏是高功率系统能否稳定运行的重要影响因素之一。研究并确定快脉冲下液体绝缘介质的击穿特性，对于开发紧凑型脉冲功率系统具有重要意义。但目前对ns级以及更快脉冲下液体介质绝缘特性的研究尚缺乏充足的实验数据，无法依据现有资料构建该时间量级下液体介质击穿的理论框架，且其击穿电压的确定尚无公认的计算公式。为此本文在输出电压约200kV、重复频率达2kHz的全固态SM-3NS脉冲源上设计了击穿实验装置，并以快脉冲液体绝缘介质击穿特性为目标，主要研究了： (1) 半球电极半径对变压器油击穿电压的影响； (2) 直流、单个脉冲及重复频率下三种典型液体绝缘介质(变压器油、十二烷基苯、蓖麻油)的击穿特性； (3) 不同电极间距下蓖麻油的击穿特性； (4) 脉冲作用时间对变压器油击穿场强的影响。 通过实验及其结果分析，本文的主要结论有： (1) 设计的液体介质击穿模型及其测量系统满足实验要求，且分析得出了电极模型的静电场及峰值场强的估算公式； (2) 电极半径大小对击穿有影响，随着半球形电极半径的增大，击穿电压不断提高，但提高击穿电压的作用在减小； (3) 变压器油、十二烷基苯和蓖麻油的快脉冲击穿场强远远高于直流，击穿场强从高到低的顺序依次为蓖麻油、变压器油、十二烷基苯，而直流电压下则相反。低重复频率范围内击穿强度随频率的变化较明显，高重复频率区，击穿强度随重复频率变化很小。与单个脉冲相比，重复脉冲串作用下的击穿场强明显减小； (4) 脉冲作用时间短，击穿场强高但时延短，脉冲作用时间长，击穿场强较低 但时延长； (5) 对几个纳秒快脉冲作用下液体绝缘介质击穿特性公式进行 了校正，得出了有效时间指数为1/3，有效面积项的幂指数为0.11，反映蓖麻油、变压器油和十二烷基苯击穿特性的常数分别为0.549、0.457和0.379。且快脉冲作用下值越大，介质绝缘性能越好。