（光学工程专业论文）水介质传输线的耐高电压击穿技术的研究.pdf

国防科学技术大学研究牛- 院学位论文 摘要 作为绝缘储能电介质，水具有相对介电常数高( e ，= 8 0 ) 和f l 我修复性好的优点，因而水电容 是制造大电容的一个很好的选择。给水加气压是提高水绝缘场强的各种技术中最有效的，对水介 质传输线加载气压是传输线小型化研究的一个重要方向。 本文采用球板电极模型的水击穿器件，在不l 司气压下进行了水击穿实验，实验验证了水击穿 过程中存在气压效应，实验结果表明：有效面积0 1 5 e r i f 、有效击穿时问1 1 8 n s 、流体静压1 0 a t r i a 时的击穿场强为1 3 5 0 1 4 0 k v e r m 流体静压从l a t n a 增加1 0 a w a 时，水击穿场强增加8 并对 实验结果进行误差分析和理论解释。 本文设计了一个1 0 a r m 下的1 m v 电压、5 q 阻抗、6 0 n s 脉宽的b h a n l e i n 水介质传输线，传输 线的长度1 0 0 6 e m , 内筒半径9 1 5 e r a 、中筒半径1 6 4 e m 、外筒半径1 9 3 铘b 体积上比一个人气压 下的双线减小了4 6 。因而认为，对水介质传输线加载高气压，是传输线小型化的个有效途径。 本文设计了一个8 o 、l o o n s 、耐压5 0 0 k v 参数的五级脉冲形成网络，级电感设计参数过小使 得电感制作困难，脉冲输出波形平项波动达n - - 6 ，p f n 的设计体积为o 1 5 m 2 。而在相同脉冲设 计参数下的b l u m l e i n 水介质传输线的体积为p f n 的5 0 0 , 4 ，由此认为，短脉冲p f n 的研究对传输 线小型化来说，优势不明晟。 最后对本文的工作进行了总结，并针对工作中山现的问题对水击穿实验模型提出了改进，详 细介绍了同轴线击穿模型的设计。 关键词：水介质，高r t l f f , ，击穿，流体静压，传输线 第 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t a sa l li n s u l a t i n gd i e l e c t r i c ，w a t e rh a sa sh i g hr e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta s8 0 a n dt h e q u a l i t yo f b e i n g s e l f - h e a l i n g t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k ew a t e ra ne x c e l l e n tc h o i c ef o rb i 】i l d 崦l a r g ec a p a c i t o r s l o a d i n g p r e s s u r eo nw 越e ri s o n eo ft h em o s ts u c c e s s f u lt e c h n i q u e st oi n c r e a s et h ef i e l ds e n g mo fw a t e r h i g h p r e s s u r e w a t e rt r a n s m i s s i o nl i n ei so n ei m p o r t a n ti n v e s t i g a t i o nd i r e c t i o no nt r a n s m i s s i o n l i n e m i n i a t u r i z a t i o n ， a d e s i g no fw a t e rb r e a k d o w ne x p e r i m e n tm o d e l ，a n daw a t e rb r e a k d o w ne x p e r i m e n to np r e s s u r e e f f e c tb a s e do nt h i sm o d e ld e s i g na r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a t ：w a t e r b r e a k d o w ne l e c t r i c f i e l dr e a c h e s1 3 5 0 _ _ - 1 4 0 k v c mu n d e r t h ec o o d i t i o m o f o 1 5 c m 2e f f e c t i v ea r e a , 1 1 8 n s e f f e c t i v eb r e a k d o w nt i m e , a n d1 0 a l t oh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，a n dw a t e rb r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l di n c r e a s e s 8 a sw a t e rh y d r o s t a t i cp r e s s u r ei n c r e a s e sf r o ma t m o s p h e r i ct o1 0a m l t h e n , e x p e r i m e n te r r o r s a r e a n a l y z e d a n de x p e r i m e n tr e s u l t sa l ei n t e r p r e t e dt h e o r e t i c a l l y ab l u m l e i nt r a n s m i s s i o nl i n ew i t hp a r a m e t e r so fi m vv o l t a g e ，5qi m p e d a n c e ，a n d6 0 n sp u l s e d u r a t i o na tt h ec o n d i t i o n so f1 0a r mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h i sp f l h a st h el e n g mo f10 0 6 c ma n di s m a d e o f a n i n n e r c y l i n d e r w i t h 9 1 5 c m r a d i u s ，a m i d d l e c y l i n d e r w i t h1 6 4 e r ar a d i u s ，a n d a n o u t e r c y l i n d e r w i t h19 3 c mr a d i u s t h ev o l u m eo f s u c hap f li s4 6 s m a l l e rt h a nt h a ta tt h ec o n d i t i o no f1 a t r i a a sa r e s u l ll o a d i n gh i 出p r e s s u r e o nw a t e ri ss u c c e s s f u li nt r a n s m i s s i o nl i n em i n i a t u r i z a t i o n a5s t a g ep u l s ef o r m i n gn e t w o r kw i t hp a r a m e t e r so f 8 q ，l o o n s ，a n d5 0 0 k v i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a t 雠r i p so ft h et o po f 肿l s ci sa b o u t6 o i la c c o u n to f t o ol o wl i l m p e d i n d u c t a n c e sw h i c hi sd i f f i c u l tt ob em a d e ，a n dt h ew h o l ev o l u m ei sa b o u t0 1 5 m 2 b u tt h ev o l u m eo f b l u m l e i nt r a n s m i s s i o nl i n ed e s i g n e dw i t ht h es a m e p u l s ed e s i g n i n gp a r a m e t e r s a sh a l f b i ga st h a to f p f n t h e r e f o r e i n v e s t i g a t i o n o ns h o r t p u l s e p f ni sh a r d l y i n t e r e s t i n gi n t r a n s m i s s i o nl i n em i n i a t u r i z a t i o n f i n a l l y , a l lw o r k i nt h i sp a p e ri ss u r n m a r v _ e d , w a t e rb r e a k d o w ne x p e r i m e n tm o d e l o nt h eb a s i so f t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa n dp r e s e n tc o n d i t i o n sh a sb e e ni m p r o v e d , a n d c o a x i a lw a n m f i s s i o nl i n eb r e a k d o w n m o d e li sp r e s e n ti nd e t a i l k e y w o r d s ：w a t e rd i e l e c t r i c ，h i g hv o l t a g e ，b r e a k d o w n ，h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，t r a n s m i s s i o n l i n e 独创性声明 y 5 1 9 7 9 彳 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：盔企厦佳捡缝垃煎直电压垂窒技盔塑盟窒 学位论文作者签名日期：灏年7 月盘9 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：查佥匮笾捡缝盟亟直电廷圭壅筮盔的婴寇 日期：吱文年“月日 日期：& 脚a 年1 1 月文1 日 砰 迩一 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 水绝缘介质的特性 作为绝缘储能电介质，水具有相对介电常数高和自我修复性好的优点。水的相对介电 常数( e ，= 8 0 ) 是其它绝缘材料的3 0 4 0 倍，采用水作为高能电容器的介质在相同储能条 件下，体积上比其它介质材料的电容器小3 0 4 0 倍。水巾一旦发生击穿，水能极快地恢复 到原来的未破坏状态，而其它液态绝缘物质在击穿后会碳化且失去电压阚值强度。另外， 水相对来说较廉价，且合乎环境安全要求。水的这些特点使得水电容是制造大电容的一个 很好的选择。 1 2 水击穿研究的文献调研 脉冲功率器件中水用作绝缘体，是因为水具有很高的丰f 对介电常数。器件的尺寸取决 于储存在绝缘体中的能量值，例如，对平板电容器，电容为： c = o ra d ( i i ) 其中，e0 为真空的介电常数( 8o = 8 8 5 1 0 4 2 f m ) ，e ，为水的相对介电常数，a 为平板电 极的表面积。储存在电容器中的能量为： w = ( a 2 ) c t 】2( 12 ) 其中，u 为外加电压。电场强度e 等于电压u 除以间距d ，代入能量方程得到： w = o 2 ) 6o f a e 2 d 2 ( 1 3 ) 可见，储存在电容器中的能量正比于电场的平方值。高压水器件的小型化技术旬究， 一个很重要的方向是提高水的击穿场强。 i 2 i 经典j c 8 水击穿实验 1 9 世纪6 0 年代早期，j c m a r t i n 做了大量的实验，对水的电压击穿强度进行了初步的 研究。m a r t i n 的工作是在室温和标准气压下进行的，他给出了描述实验数据的几个公式， 其中最重要的两个公式为：对正极性，有 f 1c f f l ，3 a i l l 0 = o 3 ( 1 4 曲 国防科学技术大学珂 究牛院学位论文 对负极性，有 f te f t l ，3 a i 1 0 - - - 0 6 其p ，f 为电场击穿强度( m v l c m ) ，a 为面秋( c 秆) ， 的击穿场强具有高斯分布特性，见图1 i 。 m a r t i n 公式的f 值为高斯曲线的最大 值，根据m a r t i n 经验公式计算得到的击穿 山 弋 场强值通常称为j c m 量值。南曲线看到，； 薯! 击穿场强为6 0 j c m 时，水击穿的概率很j ； 专； 小。j c m 实验的一个很重要的结论为：负砉 极的击穿场强约为f 极的两倍。这也是器 件设计的一个很晕要的原则，即两个电极 中场强最大的电极为阴极。另外器件设 计中最大场强值通常取j c m 值的6 0 。需 ( 1 4 b ) t 。仃为有效时间) 。他在实验中测得 阔1 1 击穿场强分析i 的离斯曲线 要注意的是，m a r t i n 公式基于他所得到的实验数据而非理论，所以这个公式中的各个参数 都有一定的范围，超过这些范围，就不能应用该公式。 1 2 2 水击穿实验的各种效应 在过去三十年旱，国外对水击穿的过程做了许多实验研究。由丁各个实验装置不同和 参数的范围很j “，使得实验数据看起来较混乱，有些甚至对立。具体来说，电极问距的参 数范围从l 毫米到若下个厘米，电压范围从几百到几万伏特，放电能量范围从几毫焦到几 千焦耳。然而，其中的许多实验结论是一致的，本文对其中一致的结论进行了讨论。 1 气压的影响 a b r a m y a n 和k o n i l o v 【i 】做了大量的工 作，观察了气压对击穿场强和击穿时间的影 响。他们的实验数据( 图1 2 ) 表明：气压从 1 7 m p a 上升到1 3 4 m p a 时，电压击穿强度e a d 从3 6 0 k v c m 上升到6 4 0 k w c m ；击穿场强与 气压近似线性关系，即在所观察的气压范围， e b d 增加罱为2 4 k v ( c m m p a ) 。另外，布他们 f f 一 | 堇 1 2 气压与水的屯击穿场强之问的芙系 第 2页 围防科学技术大学研究牛院学位i 仑文 的实验中，气压从0 3 m p a 上升到1 0 1 m p a 的同时，击穿时间t 。f f 从5 0 n s 上升到1 0 0 s 。 s i n c e r n y 2 】研究了气乐对击穿场强和击穿时间的影响：当气乐从1 0 1 k p a 上升到3 0 8 k p a 时，击穿场强从2 1 8 k v c m 卜升到2 3 6 k v c m ，且击穿时问从2 9 0 s 卜升到3 5 0 s 。 j s m i r z a 等人【3 】从量子理论出发，推出这样一个结论：液体的击穿场强与压强p 之问近似p 埔的线性关系，他们还在其它液体中观察到了这个线性关系。另外，m i l l e r 【4 】 的水击穿实验数据也与该结论一致。 2 电极面积的影响 s a n d i a 国家实验窒的水器件，其大小和面积尺寸比j c m 公式的数据范围要大得多。为 了验证m a r t i n 公式，1 9 世纪6 0 年代后期，海军研究实验室进行了这方面的研究。w h l u p t o n 测得了大量的数据，从而得到了类似m a r t i n 公式的e l b e r t - l u p t o n 公式【5 】，主要的差别 仅在于面积项的指数。l u p t o n 公式为：对正极性，有 f t e f t i 3 a o 0 5 8 卸2 3f 1 5 a 1 对负极性，有 f 1e f t i 3 a 7 0 6 9 = o 5 5 7 ( 1 5 b ) s a n d i a 的设计者认为：对相当大面积( a 1 0 7 c 舒) 来说，击穿将不依赖于面积项。但是该公 式没有对t 。i f l o s 的情况进行验证。 m i l l e r1 4 】所采用的模型是同轴传输线：内外筒间距1 c m 、充电电压峰值1 m v 、电极 有效面积2 5 0 0 c r n 2 ，实验测到6 7 a t m 下的1 2 n f 电容、0 5 q 特性阻抗的水介质传输线的绝缘 场强6 0 8 k v c m 图1 3 的数据曲线表明：1 ) 、当传输时间t ( te f f 约为0 4 2 0 大丁2 u s 时， 击穿场强对时间的依赖关系小于t 1 丹：2 ) 、击穿场强与压强p ( 单位为a n l l ) 之间近似p 1 腮的线 性关系。h 位l e r 得到的均匀场f 水击穿场强公式为： f = 0 3 3 p 1 ，8 a _ 1 1 6 x t - 1 乃f o rt 2 u s f 1 6 c ) m i l l e r 得到的击穿场强l e 比丁i 电极有效瑚积的一1 1 6 指数幂，他所采用的电极模型，有效面 积大予文献【6 】巾采用的电极模型。另外，v a n d e v e n d e r1 7 的电极模型面积也大于文 献【6 】中采片j 的电极模型，v a r t d e v e n d e r 得到的面积指数项系数为0 0 6 。山此可见，有效 面积越大，有效面积项的幂指数也越大。需要注意的是：根据作者的数据曲线根本拟合不 第3页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 出该公式，而且具体数值相差非常大。可能 是冈为m i l l e r 认为具体击穿数值虽然存在很 大的问题，然而数据关系曲线的趋势仍然明 确反映了某些物理本质，丁是根拱e 这些实验 结论f 即击穿与乐强以及有效时间之问的关 系趋势) 对常用的标准的击穿经验公式( 即 e i l b e r t 和l u p t o n 得到的均匀场的击穿公式) 进行扩展。通过简单比较，m i l l e r 的这个公 式是正电极的击穿公式。 f e n n e m a n 和g r i p s h o v e r 【6 】采用半球 ( 3 c 矗) 平板( 8 l c 矗) 电极模型，得到有效面积 p m 删弛 8 1 吣 罔l3 不州传输时伽下m 穿场强与气抓之m 的关系 项指数0 1 0 8 。他们褥m 负极击穿时的m 值( 0 5 9 4 ) 比正极击穿时的m 值( o 5 6 4 ) 要大5 。 这与j c m a r t i n 等人实验数据是不一致的，这表明了非均匀场与均匀场的负电极击穿情况 是不一致的。另外，他们得到的数据表明：当t 。t r l u s 时，击穿场强趋势小于f ”。 3 温度的影响 s i n c e m y1 2 观察了温度对击穿场强和击穿时间的影响：当温度从3 3 0 c 卜降到8 0 c 时，击穿场强从2 2 0 k v c m 上升到2 2 4 k v e m ，且击穿时间从2 9 u s 上升到3 5 u s 。从接近零 度的液体到微气泡状态的转变，需要更多的热能。把水降温至接近零度，是增加水的击穿 场强的一种方法。 b u t t r a m 和o m a l l e y l 8 1 发现温度对水的电阻率和介电常数都会产生影响。他们在室 温下对水进行纯净处理，水的电阻率约1 8 m q e m 。把水冷却到接近零度，他们得到理论 上的水的电阻率最大值8 0h 疵c m 。同时，他们测到水的相对介电常数为9 0 、击穿时间 6 4 0 u s 。m a l m b e r g m a r y o t t1 9 给出了静电介电系数6s 的公式 i o g ( 。s 删) = 1 9 4 4 0 4 - 1 9 9 1 l f f 5 1 ( 1 7 ) a l b r i g h t 、w y m a n 和i n g a l l s 、l a t t e 、j o n e s 和d a v i e s 、a l b r i g h t 和g o s t i n g 、d r a k e 、a k e e r l o f 和o s h r y 等人测到的8s 数据与。s m m 的差值小于0 6 。 4 除气的影响 s i n c e m y 2 1 观察了除气对击穿的影响。除气对水的恢复时间有影响，e p 别, j 着水中 国防科学技术大学珂f 究乍院学位论文 气泡消散的脉冲问隔允许时间。当水没有除气处理时，水的恢复时间一般为1 小时。 5 流速的影响( 电阻率的影响) s i n c e m y 【2 】研究了流速对水击穿的影响：当流速为1 2 6 m l s - 6 3 0 m l s 时，其对击穿 场强和击穿时间没有显著的影响。而流速影响着水的电阻率( 相应的水的电阻率变化范围为 1 4 m 1 2 c m 3 7 m q c m ) ，也就是说，水电阻率的变化对击穿强度也不产生显著的影响。 6 添加剂的影响 f e n n e m a n 1 0 】研究了水中混合乙二醇酯后对击穿场强、介电常数和击穿时间的影响。 他测到室温下纯水的击穿场强1 3 0 k w c m 在2 8 0 c 时混入9 5 的乙二醇酯后，击穿场强上 升至2 7 0 k v c m ，但此时的相对介电常数只有4 0 、击穿时间0 2 0 m s 。当添加剂混合度6 0 、 温度2 3 0 c 时，相对介电常数7 7 、击穿时间0 9 7 m s 。 由于s f 6 具有电负性，其j 。泛应用于脉冲功率领域。在火花间隙开关中，常使用s f 6 来增加开关的电压阈值。当较低能量的电子通过问隙时被该气体捕获，因而增加了火花间 隙丌关的闽值。人们南此在水中加入s f 6 来观察其对水击穿的影响。 h c i 等化学物质的加入，可以降低水的电导率。m a g n ek r i s t i a n s e n 的实验发现【1 8 】， 随着h c i 浓度的增加，击穿电压降低而击穿时间增加了。h c i 加入后，一方面，旷数目 的增加，影响了通过产生一个过剩的水合氢分子而导致的电荷转移过程；另一方面，质子 离开电极表面时，被c i 离了捕获，从 而减少了触发放电的可能质子。随着 h c i 浓度的增加，能量扩散需要更长的 时问。 7 电极材料的影响 z a h n 、o h k i 、r h o a d s 、l a g a s s e 和 m a t s u z a w a 【1 1 】使j r i 大小l m x 3 2 c m 的平板电极，间距i c m 的水器件，观 察了不同材料电极的击穿场强。他们发 现，电极材料为铝、不锈钢、钢和黄铜 时，水的平均击穿场强0 c v c m ) 分别为 1 1 0 、1 2 5 、1 3 5 和1 4 5 。另外，他们还 v “f m 罔1 4 不嗣材料也极情况下电流密度与电压之h j 的关系 第 5页 rt点-#u 国防科学技术大学硎究牛院学位论文 发现：电极材料为铜电极时测到的击穿场强值的范围最小。 s z l d a r c z y k 、k a i n t h l a 和b o c k r i s 【1 2 】通过实验比较了铂、铜、铁、镍、金和钴电极材 料对击穿的影响。图1 4 为不同材料电极情况下的电流密度与电压之问的关系，由该图发 现：铜电极具有较好的耐击穿特性。 f e n n c m a n 【6 】研究了铜( c u ) 、不锈钢( s s ) 、黄铜( b r a s s ) 和t g ( a 1 ) 等不同电极材料情况 下的水击穿特性，对j c m 公式的m 值进行比较。m 值的表达式为： c m n = 专善e m a x i c e ：历_ 。1 九。 ( 1 8 ) 其中，n 为相同条件下的 水击穿实验次数，e n 。 为各次击穿时的最大电 场值。f e n n e m a n 对各种 材料的电极进行了2 0 0 次击穿实验，对每2 0 次 击穿的m 值取平均值， 数据曲线见图1 5 。通过 对数据曲线的比较发现， 铝的重复击穿能力较差。 g e h m a n 【1 3 】研究 了四种电极材料( 铝、阳极 氧化铝、黄铜和铜) 情况下 的作用密度( 能量密度与 击穿时间的乘积) ，见图 1 6 ，圈中还给出了各种电 极材料的电压击穿闽值。 由图可见，对铝材料进行 阳极氧化后，击穿电压可 i 譬i1 5 h 伊2 0 值与击穿顺序数之间的关系 j 錾i1 6 4 i 同电撮材料情况下的作刚密度- q q 抵, 关系和电压阐值( f n j 嗣il e n t ) 提高1 5 。可见，对电极作阳极化处理是提高电压阐值的一种有效方法。 第 6 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 图1 7 显示了不锈钢电 极在喷粒( b b ) 和耐氧电解 抛光( e p ) 处理后的作用密 度。由图可见，不锈钢电极 电解抛光后，具有最好的耐 击穿特性。比较幽i 6 和幽 i 7 发现，不锈钢电极材料 的耐击穿特性比其它电极 材料要好。 m l7 # 3 0 4 不锈铡枉不同处理条件下的作j i 密度与电压天系和电压闽值 m c l e o d 和g e h m a n 【1 4 l 采用不同型号的钢材( # 3 0 4 、# 3 1 0 、撑3 1 6 、槲3 0 ) 和不同型号 的铝材 7 0 7 5 、# 5 0 8 3 、# 2 0 2 4 、# 6 0 6 1 ) 作为电极材料，发现# 4 3 0 s s 和# 6 0 6 1 a i 的耐击穿特 性最好，击穿场强均- 1 7 0 k v c m 。使用# 4 3 0 s s 作为正电极材料和# 6 0 6 i a i 作为负电极材料 时，击穿场强为1 4 5 k v c m ：而使用# 4 3 0 s s 作为负电极材料和# 6 0 6 i a i 作为f 电极材料时， 击穿场强为1 0 0 k v c m 。然而，铝阳极和黄铜阴极情况下，击穿场强可为铝阴极和黄铜阳极 时的2 倍，这主要是由于负电荷注入的缘故。两种电极材料混合使h j ，会加强或抑制质子 的运动，这取决丁电极的极化方向。 8 扩散电极的影响 s z l d a r c z y k 等人【1 2 】采_ i = j 直径1 0 0 u m 的平面端部镲阳极和真径o 6 c m 的镍阴极，观 察了阳极涂料为石蜡和黑土时的击穿场强。图1 8 为扩散电极的几何结构图和电路图，图 1 9 为黑土层不同厚度时的电流密度一电压关系曲线。 r ：* 。、l ”上 叫 d _ 一 k mr i 图i8 黑_ ：层扩散电极的几何结构图( 左) 和电路图( 右) 没有黑土层时击穿场强约8 k v c m ，铂电极表面加上o 5 m m 厚的黑土层时，击穿场强 约6 0 k v c m 。分析图1 8 中黑土与水界面的电场，由高斯定律： j ed s = q ，( eoer ) ( 1 9 ) 壅! ：g 塑旦虫尘耍：墨圭兰查星盟里堡些塑! 国防科学技术大学研究牛院学位论文 ! 二生：! 竺墨。：! 些! 丛! ! ! 。2 ：! 坚! ! ! 竺： 。，占，。q ( e ) ，。 由于总电压v = 。+ v 。得到： = 坝授+ t 也可通过欧姆定律来计算v 。的值： v m i e r = i r w 。t e r 式中，i 为流经实验器件的电流，s 为平板 电极面积。这两种方法计算得到的一 值差不多，为未放置黑土层时的3 倍多。 放置黑十层后水中的储能与未放置黑十层 时的储能的比值等于水层电压比值的平 方，因而放置黑土层后储能增加到原来的9 倍。需要说明的是，该实验的击穿场强值 如此低是因为所采用的电极尺寸和间距较 小的缘故；另外，采用黑土层提高绝缘场 幻。m 。k l e f s t o ， ( 1 1 0 ) ( 1 1 2 ) 圈1 9 黑土层厚度对电流密度电压关系的影响 强的方法，对极小电极表面面积的器件来说是有效的，但是对大面积电极不具备这样的效 应。 v o r o v e v 、k a p i t o n o v 和k r u g l y a k o v 【1 5 1 在水击穿实验中采用了扩散电极：c u s 0 4 扩散阳极、f e c b 扩散阴极，阳极在上、阴极在下，电极材料为不锈钢，电极上的2 u m 一5 u m 孔用于导入溶液。使用不同的溶液，保证靠近电极表面的扩散层的密度界于水和两种溶液 之间。当脉冲长度小1 - 3 u s 时，击穿场强1 3 m v c m ：而不采用扩散电极时的击穿场强仅为 o 3 m v c m 。实验发现，当脉冲长度大于3 u s 时，扩散电极的作用不明显。 金属和水的交界面是水击穿发生的区域，通过抑制电弧的产生，能够把电场上升到更 高的量级，也就是说，可以增加间隙的最大电压，或者增加发牛放电之前的电压保持时间。 不管引发电弧的是微气泡，还是高场强，降低电极表面的电场终将是有益的。涂料能够使 电极的微观表面变得光滑，这是扩散电极工作的实质。在紧靠电极表面加一薄导电层，电 场会由于表面不规则度的降低而增加，这使得电场上升直到达到间隙的同有最大值。e v 筇8页 一乏。摹1dziu 国防科学技术大学研究牛院学位论文 y a n s h i n 【1 7 1 在电极附近的液体中建立导电层，击穿场强提高到四倍，但他并没有透露这 种新技术的其体细节。显然，在电极表面期l 一扩散导电层，将消除形成气泡的高场强。这 种方法能够建立起更高的电场，直到通过另一种过程( 比如间隙中央的热传导) 形成放电。 9 磁场的影响 水其有电偶极距而没有磁偶极距，本质上说，磁场对水分子的极化和运动不产生影响。 但是，带电粒子在电极间隙的运动时，会受到磁场的影响，磁场作用下带电粒子的运动半 径为： r = m v ( q b )n 1 3 ) 其中，m 、v 、q 分别为带电粒子的质量、速度和电荷，b 为磁场强度。o v c h i n n i k o ve t a 1 【1 7 1 测到了水中的电子速度约1 5 1 0 3 m s e c ，y a m h i nc ca 1 【1 6 】给出了水中的质子速 度为4 0 m s e e 。可见，在很小的磁场作用下，电子和质子的运动半径将远小于电极问距。 水分子与质子相互作i j 而形成水合氢离子，它q i a 电极间隙的运动受磁场的影响。另外， 磁场也影响水分子与质子相互作用而形成水合氢离子的过程，因而影响了水中形成的电流 路径。磁场对真空高电压器件起到了有效的屏蔽作用，同样在水中也存在类似的物理机制。 【1 8 】实验所加的磁场很小，水击穿电压阈值有些微的增加，见图1 1 0 和1 1i 。其实验结 论为：增加磁场强度将提高水的绝缘场强。 喜 ；一一壬一一一 e 二 ， l i1 耄 ； ： l l t 一一一 l l _ t i t n en o r t h轴咐怅 。x p - n t n l t a t , l lg t t | t q 一 图1 1 0 磁块在阳极时的最大电压值圈1 1 1 磁块在阴极时的最大电压值 1 2 3 水击穿的物理机制探讨 如果单独考虑物质态的密度，液体击穿倾向于类似固体击穿。实际上，液体和固体的 绝缘场强具有同样的数量级。有资料表明，固体击穿的场发射也在液体击穿过程中发挥了 第9页 国防科学技术大学珂 究生院学位论文 重要作用。而另一方面，液体没有固定的结构，从这一点看，液体击穿倾向丁类似气体击 穿。 水介质击穿与气体击穿孝h 比，击穿前的发光特征类似：物质中都存在细的卷须状物， 称作枝项。人们尝试着把气体放电原理( 如平均自由路径和电子雪崩等) 应用到水介质击穿， 发展了最初的电子模型和热模型，这就是液体介质击穿领域最初主要存在的两个不同观点。 一部分人倾向于电子倍增原理，这类似于气体击穿的t o w n s e n d 原理。根据电子倍增原理： 当一个电子经过多次的电离碰撞穿越间隙，击穿即会发生。另一部分人怀疑碰撞电离的存 在，他们倾向于所谓的气泡击穿机制。气泡机制的个例子是：电极表面强场的局部办热 下，液体汽化形成气泡，气泡内的低绝缘强度蒸汽内部将会发生击穿，从而迅速割裂液体。 这就是水击穿的两种经典模型：电子模型和热模型；或者说，水介质击穿分为两个基本过 程：热的过程和电子的过程。然而这两种模型并不能很好得解释许多实验现象，后来人们 发现通过水问隙的电荷载体并非电子，从而发展了质子传输理论，该理论类似于半导体中 空穴运动。 1 经典电子模型 电子模型基于电子作为传授者，假定大体积水中的电子存在于游离状态( 这并不正确) 或电子能被i ；i j 极剥去。大部分电子模型假定存在一个自由电子，这意味着它的德布罗意波 长将比无弹性碰撞之间的距离更短，换句话说，存在一个平均自由路程。根据假定，电子 能被大体积场加速，获得足够的能量来电离一个水分子，该过程重复下去即形成电子雪崩。 由于该模型正确给出了贵液体的击穿电压，所以该模型被应用于液态水的击穿。 然而，早期的关于水的弱场电属性的认识并不支持上述这种观点。首先，大体积水中 不存在自由电子：大体积水中的任何电子会变成溶剂化物( 也就是它的德布罗意波长是分子 间距的量级【1 9 】) ，该溶剂化过程发生在n s 量级【2 0 1 。一旦溶剂化，一个电子将在变 成溶剂化物的微秒量级内与任何正性杂质发生化学结合。这些“自由”电子的唯一来源是 阴极，但是这些电子将被溶剂化。大体积水中没有电子源，任何“自由”电子立即溶剂化。 来自阳极的枝顶将在较低电压下形成并更快地生长这个实验事实，与电子模型不一致。气 体击穿理论基于电子撞击离子化，并预言来自阳极的枝顶生长更慢且更难发生，这正与水 击穿情形相反 2 1 】。气体击穿枝顶生长的一个模型是离子化波前，为了使得枝顶端部保 持强屯场，该理论基丁波前屯子的扩散，解释了辟j 极速度更慢的原因。另外，a l b r i g h t 和 第 1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t i d m a n 阐述了该理论模型能预言在阳极形成的枝顶的速度【2 2 l 。任何基丁气体击穿原理 的水介质击穿的电子模型预言了同样的结论：阴极枝项的生长比阳极枝顶更快，这与水的 介质击穿实验是丰h 矛盾的。 电子模型的另一种说法是假定带结构的改变。冰的气压加到l m b a 时，并未发现南丁 任何带渡跃转变而导致失去透光性能。在很大气压下变为导体的材料，其带问隙0 5 e v 量 级。既然带边缘被明确定义，任何液态阶结构的改变几乎不产生影响，这使得a n d e r s o n 转变是不可能的。可见，从对水属性的讨论来看，电子模型的这种观点是非常不可能的 2 3 】。 总的来说。没有理论上的或实验上的可靠证据能支持经典电子模型。 2 经典热模型 热模型纂- 丁气泡的形成和与热密切相关的实验证据。该模型基于一个简单实验观察： 两个金属电极之问充满水介质，电极上加上很大的电位差后，将发生两个现象。一个现象 是，备! 较低电压下，两个电极表面将产生气泡，这个现象称为电解；另一个现象是，确i 较 高电压下，其中的一个电极上将产生树状结构，如果通过水的距离不是很大，其中的一个 分支( 称为枝顶) 将到达另一个电极，使得电荷迅速通过并最终导致两块电极电势相等 这两个现象都尚朱得到理解，后一个现象称为介质击穿。热模型基于离子流产生焦耳热， 该热量导致水的蒸发，允许击穿象在气体中一样发生，种子电子来自一个电极。该模型中 的机制包括：离子加热使得液态水转化为蒸汽、允许电子导致的离子化等等。离子受两个 力作用：外场力和周围水分子的拉力，其中，摩擦力是导致蒸汽产生的热源。 在许多击穿实验中局部强场处的水并没有发生从液态到气态的宏观态的转变，也就 是说，离子流产生的热量与汽化水所需的热量相比是可忽略的。既然局部强场处的水并没 有汽化，电子在大体积液态水中也就不具备类似在气体中的性质因而，气体放电原理( 如 平均自由路径和电子雪崩等) 并不适用于水介质击穿，经典热模型不能用于阐述水介质击穿 机制。 3 质子传输理论 人们采用各种理论模型，尝试着描述击穿期间水中发生的现象。通过对导致击穿发牛 的现象的认识和理解，可以进一步采用各种方法延迟或者阻止击穿的发生。俄罗斯新西伯 利亚的能源科学研究院发展了电光桥，并用于电极间高电压水击穿效应的研究【9 】他们 的研究是相当成功的。 第1 1页 国防科学技术大学研究事院学位论文 y a n s h i n 、o v c h i n n i k o v 和v e r s h i n i n 【2 4 】 把电荷通过水问隙的传输机制描述为类似于 半导体中空穴运动的质子运动，见图1 1 2 。 图的右边为方向向右的电场作用下的水分子 极化示意图，图的左边描述了一个旷与水分 子结合形成水合氢离子( h 3 0 3 。水间隙加载 电压后，阳极表面出现电子空位，表面电荷 密度为 ： 。一“j ”# ff “ 0 f 一“”：j t 图i 1 2 水巾的质子运动机制 o = 。0 r e( 1 1 4 ) 空位出现的同时，电子从水分子附近绝热地或非绝热地传输到这些空位，从而形成了水合 氢离子，该电荷载体依次运动下去。 质子传输的另一个机制即c t r o t t h u s s 机制【2 5 】认为水 中的电荷载体不是一个裸露质子，而是h 9 0 4 + ，并且迸一 步分析了质子传输的具体过程。对沙包沿着链群的运动做 一个简单的类推：1 ) 、首先，一个个体填补沙包_ 一个水 合氢分子形成：2 ) 、然后，沙包从一个个体转移到另一个 个体呻正电荷被从一个分子传输到另一个分子。在这两个 假设中，没有个体或水分子运动，仪仪是它们的旋转行为 水的现代理论认为质子传输的过程分为4 个步骤：氢结合 的撕裂、质子通过量子通道、溶剂化结构的重新组合和氢 结合的重新形成图1 1 3 为质子跳跃或g l 伽岫s 机制的图 圈1 1 3g ”蚀”8 机制的图示 示。由图，最初存在一个与氧b 结合的过剩电子，其周围仅有三个水分子，而通常情况卜 其周围将有四个水分子。h 9 0 4 + 联合体的相邻水分子数目的降低使得其具有一个平面i 角形 结构，而不是通常情况下的三维四面体结构假定存在外电场，过剩电子居于氧b 与c 之 间。为了导致电荷的迁移，氧c 必须变成新的h 9 0 4 + 联合体的中心。也就是说，电荷迁移 的过程发生于如下情形：与氧c 结合的一个水分予由于氢结合的撕裂而断开。氧b 和c 之 间的氢结合撕裂将使得c 变成新的h 9 0 4 + 联合体的中心。同时，一个新的氢结合将在水分 子a 和b 之间形成，而b 周围的结构又重新回到四面体结构 第1 2页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 y a n s h i n 等人【2 4 认为：电荷载体依次运动下去的过程把电场能量转换成了热能， 而这些热能使得水沸腾最终形成气泡。 1 2 4 调研结论小结 水条件的改变影响了电艇击穿强度、丰f l 对介电常数和击穿阈值的有效时间，通常需要 折衷考虑水击穿的这三个基本要素。产生击穿效应的水条件包括：气压、电极面积、添加 剂( c , - - 醇脂、酒精等) 、电极材料、极化、温度、电阻率、蒸馏、扩散电极等。值得注意 的是：所有方法中，给水加气挑是最有效的。 人们采用各种理论模型，试图解释水击穿的实验现象，主要的理论模型有最初的经典 电子模型和热模型，以及近年来发展的质子传输理论等等。这些模型并不能全面地解释各 种实验现象，水击穿的机制还有待进一步的探索。 提高水绝缘场强的许多技术，已经获得了不同程度的成功。有些技术在实验室获得了 巨大的成功，但是对实际中的器件却是没有多少意义的。然而，这些技术有助于我们探索 水击穿的机制和寻找增加绝缘场强的实用技术。一种实用的技术，应该不依赖于电极的几 何形状和材料；应该适用于闭合或开放的水循环：其过滤和去离子系统不应该产生有害物 质：水击穿发生后，要求能够自我恢复或不受干扰，即每次击穿后，不需要频繁地更换水。 具体水器件的设训，应该基于木单位的现有水绝缘研究技术水平。通常拍：设计器件之 前，要进行验证性的实验，以确定水击穿经验公式的各项指数是否适用于所设计的器件。 1 3 本论文的立题背景和研究内容 1 3 1 本论文的立题背景 水介质传输线常用作脉冲功率系统的中问能量储存器件，水介质高电压绝缘技术的研 究是水介质传输线研究的关键。水绝缘技术的研究工作在国外开展得很深入，也比较成功； 而国内在这个领域尚