高压纳秒快脉冲下空气介质绝缘特性的研究

摘要

在直流、交流、雷电冲击电压及操作冲击电压作用下，人们对电介质绝缘特性的研究已进行了多年，而在高压纳秒脉冲电压下，这方面的研究却相对较少。然而，随着脉冲功率技术的进一步发展，纳秒快脉冲下电介质的绝缘特性研究已经成为一项重要的应用基础研究工作。
　　气体是脉冲功率设备中最基本的绝缘介质之一，研究气体介质在纳秒快脉冲下的绝缘特性需考虑两个方面的因素。其一是可靠绝缘的问题，可靠的绝缘（例如不发生闪络）对脉冲功率系统的安全性和稳定性至关重要。其二是结合实际的工程需求，例如神光Ⅲ能源模块中气体开关快速击穿导通的同步性问题。本文结合实际研究项目，按照工作的先后顺序，分三部分研究了纳秒快脉冲下空气绝缘的特性。
　　首先，基于脉冲变压器对电容充放电过程的基本原理，本文研制了最大输出电压达-148kV，脉冲上升沿5.8μs的微秒脉冲源。在此微秒脉冲发生器的基础上，通过外加陡化间隙开关的方法陡化前沿时间，得到最大输出电压达-128kV，脉冲上升沿38.9ns的纳秒脉冲源。在这两种脉冲源的基础上，本文设计并搭建试验系统及相应测量平台，并对测量系统进行方波响应校验，确定合适的测量系统。
　　其次，基于两电极石墨气体开关的导通机理，建立在脉冲过电压击穿模式下气体间隙击穿电压和导通时延的数学统计模型，该模型证明间隙气压、石墨电极表面的微观电场强度、初始电流大小、触发电压陡度等电气参数对开关间隙的击穿分散性有重大影响；提出气体开关在纳秒脉冲下过电压击穿参数的等效计算方法；结合气体开关在不同气压不同间距下的过电压击穿结果，证明了对于石墨电极气体开关，随着气压间距乘积值的增大和当脉冲梯度超过一定极值，过电压击穿过程会由经典流注理论向快电子击穿理论过渡。
　　最后，在上述微秒脉冲源和纳秒脉冲源的基础上，搭建实验平台，进行两种典型绝缘材料沿面闪络特性研究的试验。实验发现：在最大输出电压-148kV，脉冲上升沿5.8μs的微秒脉冲源的闪络试验中，尼龙的空气闪络电压、平均闪络场强及视在时延均高于有机玻璃。两种绝缘材料的平均闪络场强都随着距离的增大而减小，当间距为1mm时，尼龙的平均闪络场强为7.4kV/mm，有机玻璃的平均闪络场强为6.2kV/mm。在最大输出电压-128kV，脉冲上升沿38.9ns的纳秒脉冲源下闪络试验中，尼龙的空气闪络电压、平均闪络场强及视在时延均低于有机玻璃。两种绝缘材料的平均闪络场强同样随着距离的增大而减小，当间距为1mm时，尼龙的平均闪络场强为18kV/mm，有机玻璃的平均闪络场强为26.5kV/mm。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 纳秒快脉冲下气体绝缘与击穿的研究现状

1.3 论文的主要工作

2 纳秒快脉冲下气体绝缘的试验装置

2.1 纳秒快脉冲源

2.2 试验电极

2.3 测量系统的选择与分析

2.4 本章小结

3 纳秒快脉冲下空气间隙过压击穿特性

3.1 经典气体放电理论

3.2 纳秒快脉冲气体开关过压击穿机理分析

3.3过压击穿特性的试验研究

3.4 结果分析与讨论

3.5 本章小结

4纳秒快脉冲下绝缘材料沿面闪络的特性

4.1 沿面闪络发展过程

4.2绝缘材料沿面闪络特性的试验研究

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献