电晕放电数值模拟及基于氮化镓紫外探测器的放电检测研究

摘要

随着我国超高压和特高压技术的大力发展，电晕放电问题日渐突出，对高压电气设备产生了持续性破坏和对环境产生了很多不利影响，对电晕放电及高灵敏度检测技术的研究具有重要意义。从微观角度，放电产生大量电子和正负离子，其跃迁复合过程伴随着紫外光的辐射，对紫外光检测可以实现放电的非接触检测。目前用于放电检测的紫外成像仪价格高昂，真空紫外探测器体积大、灵敏度低和供电电压高。本文从电晕放电的原理出发，用数值仿真方法分析了放电微观粒子的发展及紫外光的产生，优化设计和制备了基于第三代半导体材料GaN的紫外探测器及应用电路，并将其用于放电的紫外检测中。论文主要工作如下：　　首先，基于流体动力学模型对空气放电进行数值建模，利用有限元软件COMSOL Multiphysics对棒-板负电晕放电模型进行求解。结果表明放电产生大量的电子和正负离子，在空间中向前阳极发展，且电子与正负离子云会对电场产生畸变作用。放电产生的电子和离子是激发紫外光的来源，是紫外检测的理论依据。　　其次，对空气中电晕放电紫外光的产生、传播和检测进行了分析。放电过程中紫外光主要由等离子体区原子跃迁和离子复合等产生，光谱集中在 200nm-400nm之间。GaN材料对紫外光有较好的光电响应，对金属-半导体-金属结构光电探测器(GaN MSM-PD)工作原理进行了分析。　　然后，用Silvaco TCAD对GaN MSM-PD结构进行仿真设计，提出了将电极掩埋到GaN外延层以提高响应度，用仿真方法验证了优化的可行性。依托重庆市光电功能材料重点实验室制备了掩埋电极结构的GaN MSM-PD，并进行了光电测试。测试结果表明制备的GaN MSM-PD响应速度达到纳秒级，抑制比达105数量级，在280nm光谱响应为0.8A/W，理想偏压为3.7V。　　最后，基于GaN MSM-PD设计了适用于放电检测的应用模块和检测装置原型。首先设计了电流-电压转换及放大电路，制作了高响应速度、高灵敏度的放电紫外探测应用模块，且可使用电池供电，提高了便捷性。基于该模块进行了针-板放电实验测试，结果表明该模块能良好的检测到放电产生的高频光脉冲信号，性能较传统脉冲电流法有较大提升。为实现低成本数据采集，使用包络检波方法降频，并设计了基于FPGA的采集系统原型，适用于电气设备放电检测现场应用。

目录

1 绪 论

1.1选题背景和意义

1.2气体放电的基本理论

1.3放电紫外检测研究现状

1.4论文主要工作和章节安排

2 空气中电晕放电数值模拟

2.1.1流体力学模型

2.1.2边界条件

2.2有限元建模

2.2.1有限元求解方法

2.2.2棒-板COMSOL模型

2.3轴向与阳极表面电子运动特性

2.4.1初始阶段

2.4.2流注发展阶段

2.4.3特里切尔(Trichel)脉冲阶段

2.4.4死区放电阶段

2.5.1电压对放电的影响

2.5.2距离对放电的影响

2.6本章小结

3 电晕放电紫外光的产生与检测

3.1空气放电紫外光的产生

3.2.1紫外光辐射

3.2.2非视距传播

3.3紫外光的检测

3.3.1 GaN材料紫外探测器

3.3.2GaN MSM紫外探测器结构

3.3.3 MSM结构探测器工作原理

3.4本章小结

4 GaN紫外检测探测器仿真设计与制备

4.1 MSM结构紫外探测器数值模拟

4.1.1物理建模

4.1.2GaN MSM探测器计算结果

4.2MSM GaN紫外探测器电极掩埋式优化设计

4.2.1电场分布

4.2.2 I/V特性

4.2.3光谱响应

4.3MSM GaN紫外探测器设计与制备

4.3.1叉指和电极结构尺寸设计

4.3.2GaN MSM紫外探测器的制备

4.4.1 I/V特性

4.4.2光谱响应特性

4.4.3响应时间

4.5本章小结

5 放电紫外检测应用模块及采集装置原型设计

5.1信号调理电路设计

5.2.1实验装置

5.2.2与脉冲电流法相关性

5.3.1包络检波模块

5.3.2基于FPGA信号采集装置原型

5.4本章小结

6 总结和展望

6.1论文工作总结

6.2展望

参考文献

附录

A 学位论文数据集

致谢