（光学工程专业论文）高梯度绝缘子研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 开展对真空高压系统中的绝缘结构的研究，特别是高梯度绝缘子( h g i ) 的研究， 有利于提高绝缘子耐压能力，促进高压绝缘系统的紧凑化、小型化 首先介绍了关于表面闪络的主要理论，并对二次电子发射系数进行了讨论；考虑真 空间隙的影响，利用理论计算、计算机模拟的方法讨论了绝缘子材料、绝缘子几何形状、 电极与绝缘予接触方式、电极结构、磁场及回流电子等几个重要因素对绝缘子绝缘性能 的影响；研究t + 4 5 0 绝缘子以及与均压环配合使用时在耐高压、低压闪络概率等方面的 巨大优势 其次，开展了对h g i 的基础理论研究分析了其耐压机理，独立对绝缘层厚度进行 了定量研究，并与国外的研究成果进行了对比；对其他几何参数进行了定性分析；对h g i 的制作工艺作了简要介绍这些工作为实际设计l g i 提供了理论基础 另外，对k a p t o n 材料进行了重点研究讨论了其用于真空高压绝缘时的优越性：使 用m a t h c a d 软件绘制了k a p t o n 材料以及其他几种常用绝缘材料的二次电子发射系数与入 射电子能量的关系曲线，通过定量比较，发现k a p t o n 材料的综合性能更加优良 最后，对优化h g i 结构设计的方法进行了探索利用有限元软件c o m s o l m u l t i p h y s i c s 3 2 对h g i 结构内的电场分布、电子运动轨迹进行模拟；根据模拟结果简化结构模型， 优化网格划分，为优化设计h g i 结构提出了较为详细系统的方法；提出了耐压强度大于 1 5 0 k v c m 的设计指标，通过模拟，认为绝缘单元周期长度0 2 m m ，绝缘层与金属层厚度 比例值为5 的结构是最好的；将传统绝缘子中常用的+ 4 5 。结构引入到h g i 结构设计中， 得到了更好的模拟结果，并认为各个绝缘单元之间基本是相互独立的，h g i 整体绝缘能 力是各绝缘单元绝缘能力之和。 关键词：高梯度绝缘子；k a p t o n ；二次电子发射系数；结构设计；电子轨迹 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt oi n v e s t g a t et h ei n s u l a t i o ns 仇l c t n r ei nh i g l lv o l t a g ev a c u t l ms y s t e m s ， e s p e c i a l l yt h eh i g h - g r a d i e n tv a c u u ml m u l a t o r ( h g d ，w h i c hi sh e l p f u lf o rt h ec o m p a c t n e s s a n dm i n i a t u r i z a t i o no f t h eh i g l lv o l t a g ei n s u l a t i o ns y s t e m f i r s t , t w op r i n c i p a lt h e o r yo fs u r f a c ef i a s h o v e r , s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o na v a l a n c h e a n de l e c t r o nt r i g g e r e dp o l a r i t yr e l a x a t i o n , a l ei n t r o d u c e da n dt h e s e c o n d a r ye l e c t r o n e m i s s i o ny i e l di sd i s c u s s e dh e r e ；c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n c eo f s m a l lv o i d sb e 眦e nt h ei n s u l a t o r a n de l e c t r o d e si nr e a l i t y , s e v e r a lf a c t o r ss u c h 勰t h ei n s u l a t o rm a t e r i a l g e o m e t r y , t h ew a yo f a t t a c h m e n tt oe l e c t r o d e s ，t h ec o n f i g u r a t i o no fe l e c t r o d e s ，e s p e c i a l l yi nt h ea b s e n c eo ft h e a p p l i e dg u i d em a g n e t i cf i e l da n dt h er e f l u xo fe l e c t r o n s ，a r ed i s c u s s e do f t h e i ri n f l u e n c eo nt h e 1 l i g hv o l t a g eh o l do f fc a p a b i l i t yo fi n s u l a t o rb yu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt r a d i t i o n a l t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ；t h es u p e r i o r i t yo f 4 5d e g r e ei n s u l a t o ra n dt h ec o o p e r a t i o n 、 d t l lg r a d i n g r i n gi ni n s u l a t i n ga b i l i t ya n dl o wf l a s h o v e rp r o b a b i l i t yi sa l s oi n v e s t i g a t e d s e c o n d ，t h eb a s i ct h e o r ya b o u tt h eh g ii sd e v e l o p e d t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo f e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei ni n s u l a t i o nh a sb e e ns t u d i e d , t h ep r e l i m i n a r yr a t i o ne s t i m a t i o nt ot h e i n s u l a t i n gl a y e rt h i c k n e s sh a sb e e nm a d ew i t ht h es i n g l ee l e c t r o nt h e o r y , a n dc o m p a r e dw i t h f o r e i g np r o d u c t i o n ；q u a l i t a t i v ea n a l y s i so fe l s eg e o m e t r yp a r a m e t e rh a sb e e nc a r r i e do n , a n d t h em a c h i n i n gi si n t r o d u c e dh e r e t h e s ee n d e a v o r sh a v ep r o v i d e dt h e o r yf o u n d a t i o nf o r d e s i g n i n gh g ii nr e a l i t y i na d d i t i o n , e m p h a s i z ei n v e s t i g a t i o no nt h em a t e r i a lk a p t o nh a sb e e nc a r r i e do n t h e s u p e r i o r i t yo fk a p t o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e dw h e nb e i n gu s e df o rh i g hv o l t a g ev a c u u l n i n s u l a t i o n ；t h eg r a p ho fs e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o ny i e l dc h a n g i n ga l o n gw i t hi n c i d e n t e l e c t r o ne n e r g yh a sb e e nd r a w nf o rk a p t o na n do t h e r sc o m m o ni n s u l a t i o nb yu s i n gt h e s o f t w a r em a t h c a d k a p t o nh a sb e t t e rs y n t h e s i sv e r f o m m c et h a nt h eo t h e r s f i n a l l y , s o m ee n d e a v o r sh a v eb e e nd o n eo ns e a r c h i n ga f t e rt h em e t h o df o ro p t i m i z i n gt h e s 劬c t n r eo fh g i e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nh g ia n de l e c t r o n so r b i tn e a rt h es u r f a c eo f i n s u l a t o rh a v eb e e ns i m u l a t e d b ye m p l o y i n g t h ef i n i t e - e l e m e n ts o f t w a r ec o m s o l m u l t i p h y s i c s3 2 ：t h es t r u c t u r em o d a lh a sb e e np r e d i g e s t e da n dt h eg r i dh a sb e e no p t i m i z e d 第1 i 页 里堕登竺堡垄奎茎塑圣竺堡兰垡笙塞 b a s e do nt h ep r i m a r ys i m u l a t i o nr e s u l t , t h o s ew o r kp u t sf o r w a r da p a r t i c u l a ra n ds y s t e i i l i c m e t l l o df o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fh g i ；ad e s i g nt a r g e tw a ss e tf o rm o r et h a n1 5 0 k v p e r c m , n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fe l e c t r o no r b i t sh a ss h o w nt h a tb e t t e rp e r f o r m a n c ec o u l db e a t t a i n e dw h e nt h ea x i a ll e n g t ho fap e r i o d i c a l l yc e l le q u a l0 2 r a ma n dt h el e n g t hr a t i oo f i n s u l a t i n gl a y e rt om e t a ll a y e re q u a l5 ；t h e4 5d e g r e ei n s u l a t o rw h i c hi sc o m m o l tu s e di n t r a d i t i o n a li n s u l a t o r sh a sb e e ni n t r o d u c e dt ot h ed e s i g no fh g i ，a n db e a e rr e s u l th a sb e e n g o t t e ni nc o m p u t e rs i m u l a t i o n , t h es i m u l a t i o nr e s u l ti m p l i e st h a te a c hl a y e rw i t h i nt h es t r u c t u r e b e h a v e si n d e p e n d e n t l yi nt h eb r e a k d o w np r o c e s s ，a n dt h et o t a li n s u l a t i o na b i l i t yi st h e s u m m a t i o no f e v e r yi n s u l a t o rc e l l k e y w o r d s ：h i g h g r a d i e n ti n s u l a t o r ( h g l ) ；k a p t o n ；s t r u c t u r ed e s i g n ；s e c o n d a r ye l e c t r o n e m i s s i o ny i e l d ；e l e c t r o no r b i t 第1 i i 页 独创性声明 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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：直搓廑绝丝丑窥 学位论文作者签名：屈兰鳖日期：2 口。g 年1 1 月2 2 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都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：直搓鏖绝丝i 珏塞 学位论文作者签名：厦皇蟹日期：2 卯年1 1 月2 2 日 作者指导教师签名：塞1 1 至：!日期：2 矿口彳年，t 月2 2 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本章主要介绍了国内外关于真空高压固体绝缘子的研究历史和研究现状，其中特别 提到了新型绝缘子高梯度绝缘子，并提出了本文的主要研究内容。 1 1 引言 随着脉冲功率技术和高功率电真空器件技术的迅速发展，真空介质得到了广泛的应 用，如真空开关、脉冲功率开关，x 射线管、真空二极管以及各种类型的加速器等，其 中经常应用固体绝缘子作为高压电极的绝缘、支撑早期的实验研究发现，在低于真空 击穿电压和绝缘材料本身的耐电压下，阴极、阳极间经常发生高电压沿真空与固体绝缘 子交界面击穿的物理现象。美国斯坦福大学线性加速器中心的速调管、美国能源部的加 速器以及日本高能物理国家实验室的加速器都曾报道过因真空表面闪络现象而发生的故 障【l 捌该现象使研究者意识到提高绝缘子表面耐压强度及耐压稳定性是设计真空高压绝 缘子要考虑的最主要问题真空介质的耐压能力在3 0 0 k v c m 以上，而绝缘子表面耐压能 力通常只有数十k v c m 至上百k v c m ，因此绝缘子表面耐压性能是决定真空高压绝缘部 件尺寸的主要因素，并严重影响到工程造价。 随着高压真空系统日益向小型化、紧凑化方向发展。不能再单纯以增大绝缘尺寸的 方式来提高绝缘子耐压能力，而应该在优化结构设计、提高工艺水平上下功夫。因此开 展对真空高压系统中的绝缘结构、特别是高梯度绝缘子的研究，具有重大的理论和实际 意义。 1 2 国内外研究历史及现状 绝缘子的耐压能力和绝缘子表面发生的闪络现象是紧密联系在一起的，国际上从上 世纪五十年代起就有关于真空表面闪络研究方面的文献报道，著名科学家马丁对该问题 进行了较充分的研究，认为绝缘子与电极夹角为+ 4 5 0 时有最佳绝缘效果，并提出著名的 马丁公式【3 l ，总结了绝缘子闪络电压与电压脉宽、绝缘子表面积的定量关系： 凡彳：c ( 1 1 ) 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 式( 1 1 ) 中f 是发生表面闪络时的临界电场强度，t 是电脉冲宽度，a 是绝缘子表 面积，c 是常数，根据绝缘子材料不同、电压脉宽范围的不同，c 值是不同的。 上世纪七十年代，基于初始电子轰击绝缘表面产生二次电子的物理过程提出了二次 电子发射跳跃式发展最终导致表面闪络的理论；基于绝缘表面在高电场中发生极化、电 离等过程提出了引发表面闪络的物理解释到了八十年代，随着实验研究的进一步发展， 引入了气体解吸脱附的概念，使上述两个初始理论模型得到了进一步发展，最终成为国 际上关于表面闪络物理过程最具代表性的两大理论：二次电子发射雪崩( s e e a ， s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o na v a l a i l c h c ) 理论1 4 和电子触发的极化松弛( e t p r ，e l e c t r o n t r i g g e r e dp o l a r i t yr e l a x a t i o n ) 1 5 , 6 1 理论但是这两种理论都不能完全解释各种真空表面闪 络现象，完整统一的理论还没有真正建立起来 继马丁之后，国内外对于各种闪络现象以及提高表面闪络电场的方法的研究非常多， 例如改变绝缘子形状、引入导引磁场、改变绝缘子材料、改变电极与绝缘子连接方法、 对电极和绝缘介质表面进行预放电处理和化学处理等，这些传统方法都能在不同程度上 改善绝缘子绝缘特性，但效果并不是太显著上世纪8 0 年代初期e o i ng r a y 基于s e e a 理论模型，提出了微堆层绝缘予的概念【“，主要设计思想是利用周期排列的金属薄层抑 制二次电子雪崩的连续发展，取得了突破性进展文献【7 捕8 作的以k a p t o n 、m y l a r 为绝 缘材料的微堆层绝缘子在l o o n s 脉冲电压下，得到了典型耐压强度2 8 0 k v l c m ，最高耐压 强度4 0 0 k v c m 的结果文献【8 】对以二氧化硅为基底的微堆层绝缘子进行实验研究发现： 在长脉冲、短脉冲、双极性脉冲下，其击穿场强都比传统的绝缘子高许多，通常是1 5 倍到4 倍。该结果是真空表面闪络研究的一个重大突破，具有里程碑式的重要意义，它 说明只要设计合理，真空表面闪络电场是可以达到很高水平的。 微堆层绝缘子主要是根据其几何特征来命名的，在后期的文献著作中将微堆层绝缘 子称为高梯度绝缘子( h g i ，h i g h - g r a d i e n ti n s u l a t o r ) 则是根据其性能特点来命名的，在 本文以后的论述中采用后一种命名方式目前关于h g i 的实验研究主要集中于美国利弗 莫尔国家实验室等少数研究机构，还没有得到广泛的应用，但应用前景非常广阔由于 其突出的耐高压能力，有利于高压电真空系统的小型化。但是由于加工能力的限制以及 对h g i 的认识不够深刻，国内对于h g i 的研究很少，多数局限于定性的说明，只有中科 院电工所的严萍等人在全国第十届高功率粒子束学术会议上交流了他们在实验方面的研 究，从实验效果来看并不太理想，在工艺水平、结构参数设计上存在很多问题，还处在 研究阶段，没有公开发表的实验结果 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 除了理论分析、实验测量之外，在绝缘子设计的研究工作中计算机模拟的方法被广 泛应用，例如模拟绝缘结构中的电磁场位形分布、三结点电场强度、粒子运动轨迹等。 模拟研究可以避免盲目的实验，降低实验费用，也可以在实验条件不具备的情况下进行 可行性分析、结构优化设计，本文主要采用这种研究方法 1 3 论文主要研究工作 l ，考虑到实际绝缘结构中绝缘子与电极之间微小间隙的存在，利用电磁场模拟、电 磁p i c 模拟及传统理论计算的方法分析绝缘子材料、绝缘子几何形状、绝缘子与电极连 接方式、电极结构、工艺处理、导引磁场及回流电子等不同因素对绝缘子耐压性能的影 响，以此为切入点进行高梯度绝缘子的研究 2 、对h g i 的耐压机理进行分析，对绝缘结构的部分几何参数进行理论推导，并重 点对材料k a p t o n 的绝缘性能进行研究，定量分析这种材料用于高压真空绝缘的优越性。 3 ，利用有限元模拟软件对h g i 结构进行模拟研究，分析这种结构抑n - - 次电子崩连 续发展的可能性；提出优化结构设计的方法，并针对一个特定的性能指标，优化结构设 计，寻求最佳结构参数。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章影响真空中绝缘子性能的主要因素分析 阴极与绝缘介质之间总是不可避免的存在一些微小缝隙，是导致三结点处场增强的 重要原因之一，然而在大多数文献中的模拟研究并没有考虑到微小间隙的影响，在这样 的前提下得到的模拟结果至少在理论表述上是缺乏说服力的本章的绝大多数模拟研究 都引入了微小间隙，在这个前提下，以s e e a 理论为基础，研究绝缘子材料、绝缘子几 何形状、电极与绝缘子接触方式、电极结构、磁场及回流电子等几个重要因素对绝缘子 绝缘性能的影响，希望能对新型绝缘子h g i 的研究与设计提供理论上的帮助。 2 1 真空表面闪络的理论模型 目前国际上对真空表面闪络现象的物理解释还没有统一的理论，各种理论都有不少 实验结果作为支持。这些理论普遍都认为真空中的表面闪络可分为三个阶段：( 1 ) 起始 阶段：初始电子的产生；( 2 ) 发展阶段：电子倍增过程；( 3 ) 闪络击穿阶段：形成贯 穿性导电通道。 在大量实验研究的基础上，人们对于表面闪络过程的起始阶段和最后阶段的认识已 经基本一致，认为绝缘子表面闪络起始于绝缘子一真空二电极三者相交接处，即三结合 点( t r i p l e j u n c t i o n ) 处的电子发射( 场致发射或热电子发射) ，最终发展为绝缘表面解吸 附气体层或绝缘材料气化层中的击穿，而对于表面闪络的发展机制和发展过程则有很多 不同的观点。目前占主导地位、较易被认可的理论模型主要有两个：由a n d e r s o n 等人提 出的二次电子发射雪崩( s e e a ) 理论模型【4 1 和b l a i s e 和g - r e s s u s 提出的电子触发的极化松 弛1 1 p r ) 理论模型t 5 , 6 1 本文对真空表面闪络物理过程的描述主要是基于s e e a 理论进行 的 2 1 1s e e a 理论模型 s e e a 模型是基于初始电子对介质表面轰击而产生= 次电子发射提出来的，并认为 二次电子发射不仅是表面闪络发展过程中电子倍增的原因，而且还是使绝缘子表面吸附 的气体层解吸附的原因，这两个过程是完成表面闪络的必要条件，基本物理过程如图2 1 所示 s e e a 理论模型的主要观点如下【4 j ： 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 当在绝缘子两端施加电压时，金属电极、真空以及绝缘表面三者相结合处由于 存在微小缝隙而导致场增强，有可能发生场致电子发射，温度高时也可能发生熟致电子 发射。 ( 2 ) 在三结点处产生的初始电子在外电场的作用下被加速而获得能量，其中部分电 子会轰击绝缘表面。根据初始电子的能量和入射方向的不同以及绝缘材料的差异，对应 于不同的二次电子发射系数j ：当占 1 时，则会从绝缘表面发射出 二次电子 ( 3 ) 绝缘表面发射二次电子后留下正电荷，使绝 缘表面带正电，而后不断发生的一次电子碰撞绝缘子 表面、二次电子发射、二次电子再次碰撞绝缘表面等 过程使得绝缘表面正电荷得到继续积累由于正电荷 对电子的吸引作用，导致电子碰撞绝缘表面这一过程 加剧，进而引起电子雪崩，即= 次电子发射雪崩，同 时电子崩在电场的作用下向阳极移动，运动轨迹如图 图2 1 真空中表面闳络 2 1 所示。 的s e e a 理论模型 这一过程同时也是自限制的。最初电子的运动轨 迹较长，随着表面正电荷的积累，对电子的吸引作用逐渐增强，电子的运动轨迹将缩短， 这样电子从外电场获得的能量也减少，表面电荷继续积累直到入射电子的能量降低到某 个特定值( 当二次电子发射系数万等于1 时所对应的较小的能量值) ，此时入射电子流与 发射电子流相等，二次电子崩达到饱和 ( 4 ) 电子对绝缘表面的不断轰击还会使吸附在绝缘表面的部分气体分子获得能量， 当能量达到一定值时，这些分子就可能克服绝缘表面的吸附作用而解吸附。解吸附的气 体分子可以吸附电子而成为负离子，也可能被电子碰撞而发生电离在电场的作用下， 带电的气体分子也向阳极或者阴极移动 ( 5 ) 靠近阴极的绝缘表面所积累的正电荷以及由于碰撞电离作用而产生的正离子， 都有增强阴极三结点电场的作用，进一步加剧了场致电子发射、二次电子发射以及气体 分子的解吸附和电离等过程，绝缘表面形成带电气体云 ( 6 ) 上述过程在足够高的电压作用下构成正反馈，最终导致表面闪络的发生 $ e e a 理论模型中的二次电子发射雪崩并不仅仅指由一次电子碰撞绝缘表面产生二 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 次电子和表面正电荷积累的电子倍增过程，而是广义的指在初始场致电子发射的基础上， 由所有的能够产生电子的途径，包括二次电子发射和碰撞电离等过程产生的电子，它们 受绝缘表面积累的正电荷吸引作用而约束在绝缘表面附近区域，形成电子群，进而引起 的电子倍增过程 在该理论中，二次电子发射系数j 是一个非常重要的参数，定义为电子轰击绝缘材 料表面所产生的二次电子数与入射电子数的比值，决定电子数量是否增长。典型的二次 电子发射系数占与入射电子能量e 的关系曲线如图2 2 所示【9 】 在该图中有三个重要参数： 【1 ) 最大二次电子发射系数：该系数决定单个入射 电子产生的最大二次电子数量，主要取决于材料本身 的属性。由s e e a 理论模型可知：为抑制二次电子崩 的连续发展，在选择绝缘材料时，在其他方面性能相 差不多的情况下，应尽可能选择瓦比较小的材料，最 好是以 l 。 ( 2 ) 8 = 1 时所对应的入射电子能量置和e 2 。当二 图2 2 典型二次电子发射数量 随入射电子能量变化曲线图 次电子发射系数等于l 时，如果所施加的电压周期足够长，将会出现稳定的以朋距离 沿面跳跃式发展的二次电子崩。但是关于稳定状态点所对应的能量却是存在争议的 b o e r s c h 、t o u r r e i l 以及a n d e r s o n 等人认为入射电子能量为丘时出现稳定状态【1 0 , 1 1 , 1 2 1 ，而 a v d i e n k o 则认为稳定状态出现在入射电子能量为丘的情况下【1 3 l 。这种争论是很有必要 的，不同的观点引出不同的理论模型，但是这些理论都是根据某一片面现象提出的，并 不能合理解释与之对立的实验现象，有待进一步完善 撇开这些具体的理论，仅仅从曲线图观察，仍然可以得到一些有用的信息：当入射 电子能量小于五或者大于易时，产生的二次电子数量都是小于l 的，都能抑制电子崩的 连续发展；当入射电子能量大于e 1 并且小于臣时，电子崩迅速增长，有可能导致表面闪 络的发生，对于高压绝缘来说此区间越小越好因此我们希望所选择的材料巨、最之间 的区域较小，这一点将在第三章为h g i 选择绝缘材料时作进一步讨论 s e e a 理论模型能够很好的解释一些实验结果和现象，例如纳秒级脉冲电压下的表 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 面闪络现象，以及表面解吸附气体、磁场和二次电子发射系数等对表面的影响，特别是 能推测绝缘予的长度与闪络电压之间的定量关系，但是这个理论模型不能解释在施加直 流电压数秒后才发生的闪络现象 2 1 2e t p r 理论模型 b l a i s e 和g r e s s u s 在研究绝缘材料在电子轰击下的带电现象时发现：当绝缘材料由于 电子轰击而带电后，即使绝缘子上没有再继续施加电压，在一定的条件下仍可能发生表 面闪络现象。这种现象促使他们重新考虑绝缘予表面闪络的机理，最终形成了基于电子 触发的极化能量松弛的e t p r 理论模型【5 ，们。 e t p r 理论模型的主要观点如下； ( 1 ) 任何极化的电解质在电场或机械应力的作用下都会有所响应，包括介质中的极 化松弛效应、电荷与偶极子的移动、光子发射以及物质晶相的改变等。 ( 2 ) 绝缘子的带电现象是由于介质本身的缺陷、介质中的极化电荷的存在而使得在 绝缘子局部区域形成陷阱中心，从而俘获电荷而产生的。在绝缘子各个不同的局部区域 中分别形成正的或者负的电荷聚集点，这些电荷可以产生一个较强的静电场，以维持状 态的平衡，但是这个平衡是极不稳定的，任何外界的扰动都可能使平衡被破坏。同时这 个平衡态存储了巨大的能量，这一能量的释放可以使大量的表面吸附气体解吸附 ( 3 ) 闪络现象的发生是由于在外界扰动下极化平衡状态被破坏后介质的极化松弛引 起的。被陷阱捕获的电荷在受到外来电子、热、射线，电场等扰动作用下获得足够能量 后快速逃逸，破坏了原来建立的极化平衡状态，引起极化能量的释放。这一过程的发生 伴随着大量的高能电子和光子的发射，从而使电子倍增，最终导致闪络击穿这一理论 模型也认为存在二次电子发射雪崩，但并不认为这是电子倍增的主要原因，它在电子激 增的形成过程中所起的作用很小。 e t p r 理论模型也能解释很多实验现象，例如直流电压下的表面闪络现象，表面解 吸附气体和绝缘材料机械特性对表面闪络的影响，阳极起始的表面闪络，以及电子束或 离子束轰击绝缘材料引起的闪络现象等等，但是无法解释纳秒级脉冲作用下的表面闪络 现象 表2 1 将这两种理论模型进行了比较，指出了这两种理论的适用范卧14 1 表2 1s e e a 理论与e t p r 理论的适用范围以及局限性 l 理论 适用( 能解释的物理现象)不适用( 不能解释的物理现象) s e e a 纳秒级闪络；直流闪络的秒级延迟 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 解吸附气体的作用； 磁场的影响； 二次电子发射系数的关联 e t p r直流闪络；纳秒级脉冲下的闪络击穿 解吸附气体的作用： 与绝缘材料特性的联系； 存在带电粒子流下的闪络； 阳极起始的闪络 2 1 3 对s e e a ，e t p r 两种理论模型的基本分析 通过对比s e e a 理论模型和e t p r 理论模型发现，尽管这两种影响最广泛、最具代 表性的理论对于表面闪络的发展机制和发展过程有很多不同的观点，但是对闪络起始和 击穿阶段的观点基本相同，都认为绝缘子表面闪络起始于三结点处的电子发射，最终发 展成为绝缘表面解吸附气体层或绝缘材料气化层中的击穿，可见发生表面闪络有两个必 要条件：初始电子的产生和大量的解吸附气体 从这两个必要条件出发可以得出抑制表面闪络的两个基本方法：( 1 ) 抑制三结点处 的电场增强，减小电子发射概率，从源头上降低表面闪络发生的可能性；( 2 ) 减小产生 的气体量对于s e e a 理论来说就是尽可能使电子不撞击绝缘表面，使产生的解吸附气 体较少，绝缘表面贯穿性的导电通道不易形成。 2 2 影响真空中绝缘子性能的主要因素分析 2 2 1 三结点处真空问隙的影响 通过对理想的平板电极圆柱绝 缘子结构进行模拟，发现沿绝缘表面的 电场分布是非常均匀的，三结点处并没 有出现电场增强，如图2 3 所示 但实际上阴极与绝缘介质之间总是 不可避免的存在一些微小缝隙，是一种 非理想接触，且阴极表面存在许多微小 图2 3 三结点处为理想接触时的电势线分布 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的突起，导致该处电场增强而引起阴极 场致发射电子，且电子发射密度随角度 成余弦分布，如图2 4 所示【1 5 1 。当电子 进入缝隙后，被外电场加速，其中部分 电子碰撞到绝缘介质表面，在适当的条 件下，产生的二次电子数量大于1 ，此 时在绝缘表面产生正电荷，进而引发二 次电子崩的产生。可见微小缝隙的存在 是导致电场增强、引发表面闪络的重要 原因之一，然而在大多数文献的模拟研 o - k t ，_ i n i _ 【q - 一l - r 订“i 图2 4 阴极三结点处的电场分布和电子轨迹 究中都是对理想的结构进行的，并没有考虑到微小间隙的影响，在这样的理论前提下得 到的模拟结果至少在理论表述上是缺乏说服力的。本章的绝大多数模拟研究都引入了微 小间隙，在这个前提下，以s e e a 理论为基础，研究绝缘子材料、电极与绝缘子接触方 式、绝缘子几何形状、电极结构、磁场及回流电子等几个重要因素对绝缘子绝缘性能的 影响。 2 2 2 绝缘材料的影响 1 、绝缘材料介电常数的影响 关于绝缘材料对绝缘子表面闪络的影响，许多研究者进行了大量的工作，发现无论 是在脉冲电压、直流电压还是交流电压下，绝缘材料对绝缘子性能的影响都非常大 【1 6 ，1 7 t 瑚，不同的绝缘材料制作的绝缘子，性能差有可能大于2 或者更多但是遗憾的是， 不同的研究者所用的材料均匀性程度是不同的，而均匀性程度的不同也影响绝缘性能， 均匀性程度高的材料耐压性能更好，因此这些研究者未能对不同材料的优劣达成一致性 意见。但这些研究者同时也注意到，绝缘子耐压能力随绝缘材料介电常数的增长而单调 降低。 阳磁 建蛐相对介电常数为毛，厚度为而的绝缘平板和厚 西 度为以的真空间隙组成的平扳电容器模型，如图2 5 所示， 研究材料介电常数对电场增强效应的影响 玩匿藉蓄藿窭匦壅囝l l i l 囫 假定阴阳极之间电压为u ，推导可知真空间隙处场强 图2 5 平板电容器模型 为 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 耻羔 ( 2 1 ) 对于真空高压绝缘子，往往由绝缘子把真空与其他介质相互隔离开，因此缝隙非常 小，而岛又比较有限，故q d o 4 即糟 ( 2 2 ) 由该式可以看出场增强效果与成正比 由于缝隙处的电场增强效应，三结点处电子发射的概率大大增加，发生表面闪络的 可能性也增强，因此在实验研究中会发现绝缘子耐压能力随日的增加而减弱【1 6 , 2 0 1 。 建立如图2 6 所示的简单模型，阴阳极、 绝缘材料分别如图中所示，真空相对介电常 数为1 ，绝缘材料相对介电常数取为l o ，金 属电极相对介电常数趋于无穷大，取为 l x l o 利用有限元软件c o m s o l m u l f i p h y s i c s3 2 模拟发现，由于真空间隙的 存在，在阴极三结点附近等势线非常集中， 引起场增强，在后处理中选取三结点附近某 一点观察其电场强度，与真空中平均场强相图2 6 真空间隙的存在对场分布的影响 比，确实增大到约倍，且缝隙越小，接近 程度越高。本文第四章第三节有关于有限元软件c o m s o lm u l t i p h y s i c s3 2 的简要介绍 与上述理论模型不同的是，b l a i s e 和g r e s s u s 认为介电常数低的材料表面陷阱能级更 高，需要更强的外电场才能引发绝缘材料的介电松弛嘲这两种理论并不相互排斥，而 是互为补充，在设计绝缘子时应尽量选用介电常数较低的有机材料。 图2 6 中的物理模型也可以解释材料的均匀性对绝缘子体击穿的影响。在绝缘子介 电常数较小的区域或者材料内部某个气泡处，都存在局部电场增强的现象，有可能导致 体击穿，绝缘性能下降。因此在有机材料中纤维复合材料的耐压能力弱于非纤维材料； 在陶瓷材料中孔隙率高的材料耐压能力更弱【1 9 l ，而均匀性强的玻璃则耐压能力更强叫。 因此材料的均匀性也是绝缘材料的一个非常重要的性能指标。 2 ，绝缘材料的出气率、耐高温性能的影响 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 根据s e e a 理论，表面闪络的最后阶段是在绝缘表面附近贯穿性导电通道中发生的， 因此抑制解吸附气体量有利于提高绝缘子的耐压性能通常来说，陶瓷材料的出气率低 于一般的高分子材料，对于洁净真空是有利的，但是介电常数较高，不利于抑制三结点 的电场增强。有机材料介电常数低，但机械强度低，出气率高，在需要烘烤的系统和极 高真空系统中不适合使用。 伴随表面闪络同时发生的还有发光，发热现象【2 1 1 ，有可能造成绝缘表面永久性损伤， 导致绝缘性能下降图2 7 ( a ) ，( b ) 分别是经过1 0 次闪络之后酚醛云母( m i c a p h e n o l i c ) 、 环氧玻璃( e p o x yg l a s s ) 绝缘表面电子扫描微观图【2 1 1 ，可以观察到明显的损伤，一般高 分子材料的耐热性要比陶瓷材料差 在选择h g i 绝缘材料时，本文主要讨论了k a p t o n 材料，也简要介绍了m a y l a r 材料， 并与其他几种常用绝缘材料进行了比较其中k a p t o n 材料兼具介电常数低、出气率低、 耐高温的优点，更适合作为h g i 的绝缘材料，详细地讨论见本文第三章第五节 ( a ) 酚醛云母( b ) 环氧玻璃 图2 7 经1 0 次闪络之后绝缘表面的电子扫描微观图 2 2 3 电极与绝缘子接触方式的影响 文献【2 2 】在绝缘子与电极之间插入一层介电常数比绝缘子大得多的绝缘介质，使得 等势线远离电极表面而抑制了三结点处电场增强，进而提高了绝缘子耐压能力。 另一种方式可以看做是这种方式的极端化，即为了保证金属电极与绝缘子的良好接 触，在绝缘子表面预先采用喷溅技术在绝缘子与电极相接触的表面镀一层金属膜矧， 这种方法不仅显著提高了绝缘子耐压强度，而且降低了闪络电压的分散性。其原因可以 认为是喷溅产生的金属渗入电介质内部，金属膜与绝缘表面的接触是一种无缝隙的理想 接触，无电场增强效应，金属中的电子要越过更高、更宽的势垒才能发射出去，因此发 射电子的几率大大减小，绝缘子耐压能力得以提高。 也可以通过图2 5 中的模型得到浅显的解释：金属膜与绝缘子表面是一种理想接触， 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 当绝缘子与金属电极相接触时，可以把中间的缝隙短路此时场强为e = ； q 当岛磊“矾时，晶* 丽e , uz 警= 岛f ( 2 3 ) 需要引起注意的是，喷溅金属膜有可能在边缘处产生金属尖端，导致电场增强而发 射电子。因此需要对其表面进行处理，对工艺水平的要求可能较高。 2 2 4 绝缘子几何形状的影响 1 、绝缘子长度的影响 文献 2 5 以s e e a 理论为基础，以表面闪络放电发生在解吸附气体层中的实验事实为 依据，以自持放电为临界点，推导出绝缘子表面闪络电场与绝缘长度的定量关系式，如 式( 2 4 ) 所示： 局= 出篙卜嘎 c z t ， 其中以为发生表面闪络时的临界解吸附气体密度，4 为电子碰撞绝缘表面时的电 子能量，为电子初速度，p 为电子电量，为绝缘子长度，氏为真空中的介电常数， 为气体解吸附概率，v 。为电子碰撞表面时的速度。0 为电场矢量与绝缘表面的夹角。通 过实验曲线发现，上述关系确实成立，与实验数据吻合的很好。 式( 2 4 ) 表明，当绝缘子长度增加时，绝缘强度反而下降，绝缘长度越小对提高绝 缘子耐压强度、促进绝缘系统小型化越有利由于h g i 各个绝缘单元的绝缘层非常薄， 这一理论似乎也预示着h g i 有可能获得更好的绝缘性能，尽管两者之间有很多区别。这 一点将在h g i 绝缘机理分析中进一步讨论， 式( 2 4 ) 还表明绝缘电场与电极材料是无关的，而与绝缘材料则密切相关。这一点 与实验事实也符合的很好。 2 、绝缘子与电极夹角的影响 绝缘子与电极的夹角能在很大程度上影响绝缘性能【2 们，如图2 8 所示当圆台形绝缘 子的细端连接阴极时，圆锥角0 习惯上定义为负值；反之，当粗端接阴极时，口定义为 正值从图中可以看出，当0 e ( 3 0 0 ，5 0 0 ) 时，耐压强度最大。大多数绝缘子的设计中， 都采用+ 4 5 0 锥角结构，因此研究这种结构中表面闪络的发生、发展机制是很有惹义的。 本文建立一个+ 4 5 0 的绝缘结构模型，在阴极板与绝缘材料之间引入一个较小缝隙， 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 如图2 9 所示，材料的参数设定与图2 6 相同同时图2 9 还给出了这种绝缘结 构中的等势线分布及电场矢量分布 + 4 5 0 锥角绝缘结构与图2 6 中的圆 柱绝缘结构相比，有三个很明显的优点： ( i ) 虽然在阴极与绝缘材料之间的 缝隙处还存在一定程度的电场增强，但 与图2 6 相比，电场增强的程度大大减 小，等势线远离阴极三结合点，降低了 场致发射电子的可能性； p 巨 j 】| | | 吨 i，4- 一，孕 _ 一 _棚”麓4 0 a i g l | 图2 8 表面闪络电压与绝缘子圆锥角的关系曲线8 1 l ( 绝缘子材料为有机玻璃，长度为1 2 7 m m ) ( 2 ) 沿面电场分布分散度更小，爬电距离更长； ( a ) 等势线分布( b ) 电场矢量分布图 图2 9 + 4 5 0 锥角绝缘结构中等势线分布及电场矢量分布模拟图 ( 3 ) 在绝缘表面附近，电子的受力方向远离绝缘表面，降低了产生的二次电子再次 碰撞绝缘表面的可能性，不仅能够抑制电子崩的连续发展，还能使解吸附气体量得到限 制。 为了对上面提到的第三个优点有个直观的认识，本文利用有限元软件c o m s o l m u l t i p