（高电压与绝缘技术专业论文）高压纳秒脉冲下真空绝缘沿面闪络特性研究.pdf

摘瑟 ! = ! 詈詈= 兰燃燃i i i i i i i i i i 1 l 一_ i i i i i i i i = 詈燃燃篡竺= = = = = = = = 寰拳嚣 摘要 真空一绝缘体交界面是一个物理性质和化学性质均不同予真空状态和绝缘介质内郝 的物质相，真空绝缘沿面闪络现象的存在严重制约着高压真空电气设备的耐压能力。基于 脉冲功率技术高电压、大电流、窄脉宽的发展趋势，高压纳秒脉冲真空绝缘沿面闪络特性 研究具有非常重要的实践意义。 基于m a r x 发生器及单同轴脉冲形成线，设计并建立了一套用予纳秒脉冲( 1 0 n s 3 0 n s ) 真空绝缘沿面闪络特性研究的实验平台，以聚四氟乙烯、尼龙和有机玻璃等绝缘材料为研 究对象，对气压、绝缘体形状、电极材料、电极与绝缘体接触方式等因素对沿面闪络特性 的影响进行了全面的实验研究和理论分析，提出真空绝缘结构设计的指导建议。 通过电场数值模拟和理论计算，对实验结果进行分析讨论：( 1 ) 阴极三结合点( 电极、 真空、绝缘体交界处) 在真空沿面闪络过程中的作用，不仅限于绝缘体与阴极闻存在的微 小空隙导致此处电场增强，更为重要的是，靠近三结合点区域的电极表面场致发射电子相 比电极其它部位有更多机会与绝缘体表面发生碰撞，参与沿绝缘体表面的电子倍增过程； ( 2 ) 真空绝缘沿面闪络电压与外加电压随时闯的上舞速率有关。在直流、交流以及宽脉 冲电压波形条件下，电压上升速率相对缓慢，放电时延内电压增幅可忽略不计。纳秒脉冲 电压上升速率极大，放电时延内电压增幅较大，纳秒脉冲闪络电压高于其它电压波形；( 3 ) 绝缘体袭瑟电荷电场的建立是闪络过程能够持续发展的必要条件。放电之初，绝缘体表疆 缺乏吸弓l 阴极场致发射电子囱绝缘体表面方向发生偏转的正电荷，初始电子与绝缘体表面 发生碰撞的几率非常小。绝缘体表面充电需要一定的时间过程，充电时间与外施电压波形 有关，真空沿蘧闲络现象发生的最大阻碍在初始阶段，纳秒脉冲条件下，绝缘体表面充咆 时间不应忽略。 根据实验研究结果，提出了当气压处于高真空区域( 1 0 “p a 一1 0 。p a ) 时，真空绝缘 沿面闪终电压与气压变化无关的结论。高真空条件下，背景环境电子平均离盘程远大予极 间距离，电子碰撞电离已不可能发生，此时气压与极问距离乘积p d 最大值远小于巴申定 律适用范豳内的西最小值( 1 0 0 m m p a ) 。沿殛闪终发生并非依赖背景环境气体分子，绝 缘体表面吸附气体释放是导致闪络发生的关键。根据克努森( k n u d s e n ) 余弦漫反射定律， 推证固体表面吸附气体层形成非常迅速。由于电子质量与分子质量问的驻大差异，吸附气 i 高压纳秒脉冲下真窄绝缘沿面闪络特性研究 体分子脱附并非主要依靠电子能量和动量的直接转移，而是受到电子的激励和离解，从低 能态被激发到高能态激发态或电离态，导致吸附分子在固体表面平衡受到破坏，分子 间碰撞加剧，进而使吸附分子克服固体表面位垒脱附到真空中。在初始电子激励下，气体 脱附过程始于闪络发生之前。闪络发生之时，绝缘体表面已形成良好的气体放电环境。真 空沿面闪络现象，事实上是一种在绝缘体表面气体脱附后形成一高气密环境中发生的贯穿 性放电过程。 分析探讨了目前真空绝缘沿面闪络机理的研究成果，阐述电子触发极化松弛理论研究 背景与纳秒脉冲真空沿面闪络间存在的较大差异。认为电子触发极化松弛理论不适于分析 纳秒脉冲沿面闪络问题，基于电子激励解吸附原理的二次电子崩理论对解释纳秒脉冲真空 沿面闪络实验现象更为适宜。对发生于纳秒脉冲上升沿的真空沿面闪络而言，外施电场处 于持续上升过程直至闪络通道贯穿，整个闪络过程并未真正达到贯通两极的一个相对平衡 状态( 二次电子发射系数为1 ) ，而是一个从阴极沿绝缘体表面向阳极不断推进，渐进地 向相对平衡状态不断逼近的过程。真空沿面闪络现象发生的实质是电子沿绝缘体表面的倍 增过程，依据电子激励解吸附二次电子崩理论推导得出沿面闪络场强、闪络电压与各相关 物理参数间的关系表达式，据此得出的关系曲线与分析结论相符。 关键词：纳秒脉冲、真空、沿面闪络、阴极三结合点、脱附 摘要 a b s t r a c t p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fv a c u u m i n s u l a t o ri n t e r f a c e a r em u c hd i f f e r e n t f r o mt h es t a t ei nv a c u u n la n di n s u l a t o r r e s i s t i b i l i t ya g a i n s th i g hv o l t a g eo fav a c u u mg a pi s r e d u c e dc o n s i d e r a b l yb yi n t r o d u c t i o no fa l li n s u l a t o rb e t w e e ne l e c t r o d e s d u et or a p i d d e v e l o p m e n to fp u l s e dp o w e rt e c h n o l o g y , i n v e s t i g a t i o no fs u r f a c ef l a s h o v e ri nv a c u u mu n d e r n a n o s e c o n dm u s tb eas i g n i f i c a n tj o b b a s e do nam a r xg e n e r a t o ra n dac o a x i a lf o r m i n gl i n e ，as e to fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u si s b u i l tf o rs t u d yo fs u r f a c ef l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i ci nv a c u u mu n d e r10 3 0 一n a n o s e c o n dp u l s e p o w e r d i e l e c t r i c sc h o s e nf o re x p e r i m e n ta r et e f l o n ，p m m aa n dn y l o n ，a n dt h ei n v e s t i g a t e d p h y s i c a lf a c t o r si n c l u d eg a sp r e s s u r e ，c o n ea n g l e9 fc o n i c a lf r u s t u m ，d i a m e t e ra n dl e n g t ho f c y l i n d r i c a li n s u l a t o r ，e l e c t r o d em a t e r i a l ，e l e c t r o d es h a p ea n dc o n t a c ts t y l eb e t w e e n t h ei n s u l a t o r a n de l e c t r o d e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t aa n dm e c h a n i s ma n a l y s i s ，s e v e r a ls u g g e s t i o n sa r e r e c o m m e n d e dr e g a r d i n gh o wt od e s i g ni n s u l a t o ru s e di nv a c u u mc i r c u m s t a n c e e x p e r i m e n t a ld a t aa r ed i s c u s s e dt h r o u g hc o m p u t i n ge l e c t r i cf i e l da n da n a l y z i n gt h ec o u r s e o ff l a s h o v e r s e v e r a lc o n c l u s i o n sa r er e a c h e d ：( 1 ) t h ei m p o r t a n te f f e c to fc t j ( c a t h o d et r i p l e j u n c t i o n ) i sn o to n l yt h ev o i d sb e t w e e ni n s u l a t o ra n de l e c t r o d ei n c r e a s et h el o c a le l e c t r i cf i e l d ， b u ta l s oe l e c t r o n se m i t t e di nt h ev i c i n i t yo fc t jh a v ee n o u g hc h a n c et oc o m ei n t oc o l l i s i o n 、加t l l t h es u r f a c eo fi n s u l a t o ra n da c c e l e r a t et h ec o u r s eo fe l e c t r o nc a s c a d e ( 2 ) s u r f a c ef l a s h o v e r c h a r a c t e r i s t i ci nv a c u u ma r er e l a t e dt or i s i n gr a t eo fv o l t a g ew a v e f o r m s w h e na p p l i e dv o l t a g e w a v e f o r m sa r ed c ，a ca n ds l o wp u l s e ，v o l t a g ea m p l i t u d ed u r i n gd i s c h a r g ec a nb ei g n o r e d b e c a u s eo fr a p i dr i s i n gr a t eo fn a n o s e c o n dp u l s e ，f l a s h o v e rv o l t a g ec a nr e a c hah i g h e rv a l u e a f t e rd i s c h a r g ec h a n n e l sh a v eb e e nb u i l t ( 3 ) s u r f a c ec h a r g e sa r en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rs u r f a c e f l a s h o v e r a tt h eb e g i n n i n go ff l a s h o v e r , t h e r ei sn op o s i t i v ec h a r g eo nt h es u r f a c eo fi n s u l a t o r a n da t t r a c t i o ni sa b s e n tf o re l e c t r o n st oc o l l i s i o nw i t ht h es u r f a c e s o m et i m ei sn e e d e df o r s u r f a c ec h a r g e st ob eb u i l tu p ，a n dt h em o s to b s t a c l e sf o rf l a s h o v e ra p p e a ri ni n i t i a ls t a g e s f l a s h o v e rv o l t a g ei sm u c hi n f l u e n c e db yt h ei n c r e a s i n gr a t eo fv o l t a g e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f n a n o s e c o n df l a s h o v e rm a i n l yl i e so nt h ed i f f e r e n te f f e c tc a u s e db yt h eq u i c kr i s i n gs p e e d c o m p a r e dw i mo t h e rv o l t a g ew a v e f o r m 高压纳秒脉冲下真窄绝缘沿面闪络特性研究 a ni d e ai sp r e s e n t e dt h a tt h ef l a s h o v e rv o l t a g e sa r ei n d e p e n d e n to ft h eg a sp r e s s u r ei nt h e r a n g eo f h i g hv a c u u m ( 1 0 4p a - 1 0 1p a ) u n d e rn a n o s e c o n dp u l s ep o w e r b e c a u s et h em e a nf r e e p a t ho fe l e c t r o n si sm u c hl o n g e r t h a nt h ed i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d e s ，c o l l i s i o n sa m o n g e l e c t r o n sb e c o m ei m p o s s i b l e g a sp r e s s u r ea tw h i c ht h ef l a s h o v e ri n i t i a t e si sa b o u ta l lo r d e ro f m a g n i t u d eb e l o w t h a tr e q u i r e df o rt h ep a s c h e np dm i n i m u m ( 1o o m m p a ) 。t h ek e yf a c t o ri n t h ec o u r s eo ff l a s h o v e ri sd e s o r b e dg a s e sf r o mi n s u l a t o rs u r f a c e s a c c o r d i n gt ok n u d s e n s c o s i n el a w , t h ea d s o r b i n gs p e e do fg a sm o l e c u l ei sm u c hf a s t e n e r g yr e q u i r e df o rd e s o r p t i o ni s n o tb yc o l l i s i o nb e t w e e ne l e c t r o n sa n dd e s o r b e dg a sm o l e c u l e s s t i m u l a t e db ye l e c t r o n ，t h eg a s m o l e c u l e sa r ec h a n g e df r o mg r o u n ds t a t ei n t oe x c i t e do ri o n i z a t i o ns t a t e ，a n dt h es t a t eo f a d s o r b e dg a s e sa r eo u to fb a l a n c ea n dt h e nr e l e a s e di n t ov a c u u m d e s o r p t i o nb e g i n se a r l ya n d o u t g a s s i n gp l a y sac r u c i a lr o l ei nt h ef l a s h o v e rd e v e l o p m e n tw h e ng a sp r e s s u r ei si nt h er a n g e o fh i g hv a c u u m t h ed e s o r b e dg a s e sa l lc o m ef r o mi n s u l a t o rs u r f a c e ，n o tf r o mb a c k g r o u n d e n v i r o n m e n t f l a s h o v e ri si nf a c tat y p eo fg a s e o u sd i s c h a r g ei nah i g h - p r e s s u r eg a sl a y e r i m m e d i a t e l ya b o v e t h ei n s u l a t o rs u r f a c e t h e o r e t i ca n a l y s e sa r em a d ea b o u tt h em e c h a n i s mo ff l a s h o v e r a sar e s u l to ft h ef a c tt h a t t h e r e a r em a n yd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a lb a c k g r o u n do fe t p ra n ds u r f a c e f l a s h o v e ru n d e rn a n o s e c o n dp u l s e ，ac o n c l u s i o ni sm a d et h a te p t ri sn o tc o m p a t i b l e 谢mt h e p h e n o m e n ao fn a n o s e c o n df l a s h o v e r a sf a ra sn a n o s e c o n df l a s h o v e rb ec o n c e r n e d ，i ff l a s h o v e r o c c u r sd u r i n gt h er i s i n gt i m eo fp u l s e ，t h ew h o l ec o u r s ew i l ln e v e rr e a c ht h eb a l a n c es t a t e ，b u t t h r o u g hac o u r s eo fa p p r o a c h i n ga n o d ef r o mc a t h o d ep i e c eb yp i e c e t h ee s s e n c eo ff l a s h o v e r i nv a c u u mi st h ec o u r s eo fe l e c t r o nc a s c a d ea l o n gt h es u r f a c eo fi n s u l a t o r b a s e do nm e c h a n i s m o fs 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 ne x p r e s s i o nb e t w e e ne l e c t r i c a lf i e l da n dp h y s i c a l f a c t o r si sp r o p o s e da n dt h ec o n c l u s i o ni sc o i n c i d e n tw i t ha b o v ea n a l y s i s k e y w o r d s ：n a n o s e c o n dp u l s e ；v a c u u m ；s u r f a c ef l a s h o v e r ；c t j ( c a t h o d et r i p l ej u n c t i o n ) ；d e s o r p t i o n 论文答辩说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及 使得研究成果。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或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工 研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同 工对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 磅 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文的规定， 即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阕，电 工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳秒脉冲真空绝缘沿面闪络特性的研究意义 真空作为一种特殊的电介质，以其优良的介电性能备受高压电气设备设计者的青睐。 许多高功率设备，如高强度x 射线源、大功率微波管、粒子加速器、高功率三极真空管 等等，都会采用真空作为绝缘介质。真空绝缘不仅能够保证设备所需绝缘强度，还可显著 减少绝缘成本，降低设备自重。对工作在外太空环境中的航天器两言，优越性则更加明显。 首先，直接采用外部真空环境作为绝缘介质的航天器不存在绝缘老化及密封问题；其次， 真空绝缘降低航天器自重可大幅减少其升空过程中的能源消耗，进一步优化结构设计，增 强运行可靠性；第三，偶然性轻度沿面闪络不会对绝缘介质造成永久性损坏，真空介质的 自愈特性能够保证设备后期运行不受影响。 但是，当高压真空设备基于绝缘支撑的需要而引入绝缘介质时，却存在一种特殊的物 理现象，即真空环境中绝缘体的耐压能力大大低于相同距离的真空间隙。例如，真空击穿 场强大于3 5 k v m m 【l 】，而引入绝缘支撑后的耐压能力却下降为几个至多十几个k v m m 。 真空中绝缘体耐压失败的原因不是因为发生了绝缘体击穿，因为绝缘介质体击穿电压通常 高于同样距离真空间隙击穿电压。事实上，引入绝缘体后真空设备耐压能力降低的根本原 因是因为在绝缘体表面发生了沿面闪络，即沿着真空绝缘体交界面发生了贯穿性电击 穿过程，真空绝缘的薄弱点在于绝缘体表面。 真空绝缘沿面闪络现象的发生不仅严重制约着高压真空设备的耐压能力，影响设备正 常运行，还不时由于耐压失败造成巨大经济损失。空间卫星曾因为真空闪络造成局部耐压 失败而引发运行故障【2 。】，美国斯坦福大学线性加速器中心的调速管、日本高能物理实验 室中的加速器以及美国能源部的加速器也曾发生过由于真空绝缘闪络造成大型尖端设备 损坏，损失巨大【4 5 】。目前，由于对真空绝缘沿面闪络过程的发生机理尚未完全掌握，把 握不够得力，为了保证设备运行的绝对安全，真空中绝缘结构主要采用增加绝缘支撑长度， 延长闪络距离的设计办法。虽然该解决方案能够提高设备绝缘的耐压能力。但却使设备体 积增大，系统造价提高，甚至人为增加了结构设计及加工工艺上的技术难度，反而使设备 运行可靠性降低。长期以来，存在于高压真空电气设备中的沿面闪络现象一直是系统优化 设计无法回避的一个瓶颈问题，更是解决设备小型化的一个关键环节。 为了攻克真空绝缘沿面闪络这一难题，只有不断探索真空绝缘闪络特性及其形成机 l 一蕾k 纳秒脉冲下真窄绝缘沿面闪络特性研究 理，才能有的放矢地优化结构设计，提高设备耐压强度，防止绝缘失败的发生。尽管目前 关于真空绝缘沿面闪络特性的研究成果已有相当规模的积累，但其中有关纳秒脉冲闪络特 性的科研资料却相对不足。事实上，随着高功率脉冲技术在国民经济和国防建设中作用的 日益突显，许多大型尖端设备，如窄脉冲高功率微波源、强流粒子束加速器、新兴高功率 脉冲激光器等等，为了减小系统体积和自重，同时保证较高电效率，对脉冲功率的要求越 来越高，不但要求高电压、大电流、而且脉宽越来越窄( 纳秒、亚纳秒) 。 以往因为缺乏纳秒脉冲实验数据，在窄脉冲高压真空电气设备的设计过程中，为保证 设备运行安全，通常采用的设计思路均是在参照其它电压波形所得实验数据的基础上，凭 经验增加设备绝缘长度以提高耐压强度。如此造成的盲目性不仅使设备体积过于庞大，重 量增加，成本上升，还有另一不可避免的副作用，因为大体积所导致的大电感非常有碍于 高频设备的良性运行。基于此，开展纳秒脉冲真空绝缘闪络特性实验及理论研究便具有非 常重要的现实意义。实验研究结果为理论研究提供物理信息，理论研究成果为实验提供明 确的设计思想，二者互为佐证，不断趋近真空绝缘沿面闪络的真实物理本质。 1 2 真空绝缘沿面闪络特性研究现状 自上世纪五六十年代发现真空绝缘沿面闪络这一物理现象以来，深入细致的实验研究 和理论分析工作一直是学界的一个重点攻关内容。经过研究者们的不懈探索，在该物理现 象的本质认识方面已有一定规模的成果积累。 1 2 1 实验模型 现实高压电气设备中，真空绝缘闪络现象的发生往往局限于器件或设备的某一特定部 位，如形状各异的真空间隙、绝缘垫片、真空引线以及射频窗口等等，在实际科研工作中， 采用的实验模型不可能与现实情况一一对应，而是从工程实际中抽象出来的。实验过程中， 研究者们通过归纳总结实验数据，分析研究实验现象，得出规律性结论，以期对闪络发生 的机理研究提供有价值的佐证，进而达到预防闪络事故发生，提高系统安全性能的目的。 纵观目前国内外有关真空绝缘沿面闪络实验研究所采用的典型实验模型种类，根据电 极与绝缘体接触方式的不同，典型实验模型主要有以下三种情况：( a ) 平板型电极( 包括 平行平板电极和凹形平板电极【6 1 、( b ) 针棒板型电极【7 8 1 和( c ) 平面电极【9 姗，如图 1 1 所示。 2 第一章绪论 电极 1 _ j 乎 ； 绝舅 j， ； j i 箩 ， ； ri 1 。：电极 1l 产气 电板 ， j 黼湖 j 电极匕 ( a ) 平板电极( b ) 针棒板电极 c ) 平面电极 图i 1真空绝缘闪络典型实验模型 托架 平板型电极模型( a ) 是探究真空闪络机理最常采用的电极模型，所用绝缘试品通常 为圆柱形、圆台形以及为了增加爬电距离而采用的多种伞群外形的轴对称结构【1 。该电 极模型的特点是电场具有很强的切线分量，当试品为圆柱形时，沿介质表面的电场分布是 准均匀的，不足之处是由于发生闪络位置不确定，不适于光学测量；针棒板型电极 模型( b ) 是将绝缘试品放置在一块金属平板电极上，上面用一个针形( 或棒形) 电极压 紧。该电极模型的特点是电场具有很强的法线分量，可以在确保不引起电场畸变的前提下 精确测量绝缘体表面电荷和表面电位分布：平面电极( c ) 是近几年才被采用的一种新型 电极结构，由电极和绝缘试品托架两部分构成，阴极和阳极分别压在试品表面的两端。该 电极模型是一个对称的非均匀电场系统，最大场强位于电极端部与试品接触部位附近，两 极之间的中间区域场强较低，分布较均匀，便于光学观察及表面电位和电荷分布的测量。 1 2 2 实验研究方法 在探讨真空绝缘沿面闪络发生发展机理的进程中，为了多方位多角度获得尽可能多物 理信息，研究者们探索出多种各具特色的实验研究方法，大致分为电气测量方法和光学测 量方法两种。 电气测量方法主要包括闪络电压、闪络电流以及绝缘体表面电荷的测量。分压器是测 量闪络电压的主要方法，按结构分为电阻式、电容式、阻容混合式三种，对脉冲电压而言， 通常采用电容式分压器。脉冲电流测量通常采用罗果夫斯基( r o g o w s k i ) 线圈和分流器。 静电电荷探头法是测量绝缘体表面电荷分布的实验方法，工作原理是通过测量表面电荷静 电电位来得出绝缘体表面电荷密度。 3 赢压纳秒脉冲下兵窄绝缘沿面闪络特性研究 真空绝缘沿面闪络过程中，通常伴有发光现象，研究光的发射与传播特性有利于更好 地理解沿面闪络的发生机理和发展过程，于是各种先进的光学仪器和光学诊断技术应运而 生，广泛应用于真空闪络的实验研究中。与电气测量方法相比，光学测量方法的优点是干 扰小，灵敏度高，对实验装置的要求也相应提高，尤其对设备的密封性能要求较高，因为 漏光太多会掩盖光测信号。常用光学测量仪器主要包括光电倍增管、高速摄像机【眨l 、光 谱分析仪【1 3 】、x 射线光电子能谱技术【1 4 】等等。 1 - 2 3 影响真空绝缘沿面闪络特性的重要物理因素 目前研究者们在闪络发生发展机理的认识上存在较大分歧，但是基于实验研究成果， 对于影响闪络特性的几种重要物理因素的认识是趋同的。这些因素包括，绝缘材料介电常 数、绝缘体几何形状、绝缘体表面处理、施加电压波形等等。 1 2 3 1 绝缘材料介电常数 实验证明，不同绝缘材料对闪络电压影响较大。对有机合成材料而言，不含纤维相比 含纤维的耐压性能要相对好些。对无机材料而言，硬度较高的玻璃材料( 如硼硅酸盐玻璃) 相比陶瓷材料耐压性能好些。选择材料时，无论是有机材料还是无机材料，材料的均质度 都是一个重要因素，均质度越高，绝缘性能越好。材料相对介电常数k ( 材料介电常数 与真空介电常数。之比，即k = 。) 与闪络电压的关系是，绝缘材料相对介电常数越高， 其真空状态下绝缘性能越差【1 5 】。究其原因，是因为材料介电常数的不同影响了三结合点 处( 真空、绝缘体、电极三者的交界处) 的电位线分布。以下通过三结合点处电位线分布 简单示意图，分析该处存在的空隙在闪络发生过程中所起到的关键作用，进而说明绝缘体 相对介电常数对闪络电压的影响。 ( a ) ( b ) 图1 2 三结合点处等位线分布示意图 ( c ) 图1 2 ( a ) 所示为理想状态三结合点，绝缘体与电极间完全紧密接触，无空隙存在。 此时电位线平行于电极表面且分布均匀，绝缘体相对介电常数对电位线不构成任何影响。 4 第一荤绪论 图1 2 ( b ) 所示为现实中普遍存在的三结合点，在电极与绝缘体间存在微小间隙。当七值 不同的绝缘材料相遇时，电位线总是从七值较高区域向k 值较低区域移动，如图所示，电 位线向小间隙方向集中，致使该区域电场大大增强。电位线移动程度决定于两k 值之比 ( k 俯曲k 晰) ，由于间隙处k = l ，事实上间隙场强的增长幅度只取决于绝缘体的相对介电 常数k 。上述分析说明，绝缘材料的选择至关重要，三结合点处是真空绝缘沿面闪络的薄 弱环节。 图1 2 ( c ) 所示为三结合点处分级处理后的相对介电常数对电位线分布的影响。首先 假设图( a ) ( b ) 两情况中绝缘体的相对介电常数均为k 。，图( c ) 中，最接近电极的绝 缘层取相对介电常数为k ，与之相邻的中间层为k ：，其余绝缘材料取材k ，三层材料相 对介电常数间的关系为k ， k ： k 3 。如图所示，绝缘体相对介电常数如此分级取材的效果 使得电位线不再如图( b ) 情况所示只向空隙方向集中，而是依据电位线总是从k 值较高 区域向k 值较低区域偏移的原则，向k ：、k 方向偏移，从而减弱了三结合点处场强。 从图1 2 ( c ) 所示分级效应，可以得到如下启示，在电极与绝缘体间插入另一相对介 电常数较高的绝缘层，可有效改善三结合点处电场分布，提高真空绝缘闪络电压。另外一 种使绝缘效果大为改善的方法是在绝缘体与阴极接触侧插入一金属层，基于图1 2 ( c ) 所 示的分级效应，插入金属层客观上起到使电位线从空隙处向绝缘体偏移的作用，避免了电 位线在空隙处大量集中所导致的电场急剧增加。 1 2 3 2 绝缘体几何形状 实践证明，绝缘体几何形状对闪络电压影响非常大f 1 每17 3 7 1 。图1 3 所示为几种常见柱 形绝缘体截面图：( a ) 圆柱形；( b ) j 下圆台形；( c ) 负圆台形：( d ) 凸形柱体：( e ) 凹 形柱体；( f ) 楔形柱体；( g ) 带插入物柱体。 十 十 十+ + + 口口口 ( d )但) 图1 3 绝缘体几何形状 卜司 目 上述几种常见柱形绝缘体中，最简单的圆柱形绝缘体闪络电压较低。通常对圆台形绝 缘体锥角正负定义如下：当圆台形绝缘体尖端接电压正极时，锥角为难，反之为负。对凸 5 高压纳秒脉冲下真窄绝缘沿面闪络特性研究 形柱体和凹形柱体柱体而言，前者闪络电压高于后者【1 9 1 。另外，还可采用添加金属防护 罩的方法提高绝缘闪络电压，防护罩不仅可以使三结合点处电场得到改善，同时还可阻挡 粒子、紫外线、弱x 射线等撞击绝缘体表面t 吼。 1 2 3 3 绝缘体表面工艺处理 研究发现，真空绝缘闪络与绝缘体表面特性密切相关，绝缘体表面状况不同所表现出 的闪络特性也不尽相同田1 。如果绝缘体取材于表面光滑的材料，如玻璃、石英等，那么 当对其表面，尤其是接近阴极部分，进行粗糙处理之后，该绝缘材料的闪络电压会大大提 高，如图1 4 所示f 2 3 - 2 5 1 ，这一结论已经在直流、5 0 h z 交流、微秒脉冲作用下的实验中得 至l j 证实f 2 6 1 。 在绝缘体表面覆盖一半导体涂层也是有效提高真空绝缘水平的好方法，如果涂层渗入 绝缘体表层，效果会更好，因为杂质表层使绝缘体更能抵御表面损坏1 2 7 之s 】。绝缘体表面处 理通常针对的是无机绝缘材料如陶瓷等，h a t f i e l d 等则通过实验证实，对有机材料添加涂 层同样能够有效提高绝缘体的耐压强度【2 9 3 0 ，8 5 1 ，如图1 5 所示，经过表面处理的有机玻璃 闪络电压明显提高。 v 善 蝮 匿 绝缘体表面处理效果如何与多种因素有关，如涂层材料、覆盖技术、绝缘体材料及其 被进行表面处理时的状态等等。关于涂层作用效果，原因分析如下：( 1 ) 绝缘体表面二次 电子发射系数降低；( 2 ) 绝缘表面非传导性更加均衡：( 3 ) 绝缘表面电阻系数减小；( 4 ) 绝缘表面气体释放量减小；( 5 ) 表层空间电荷束缚作用被加强。 1 2 3 4 施加电场波形 真空绝缘闪络实验中通常采用的电压波形有矩形脉冲( 微秒至纳秒) 、雷电脉冲、重 6 第一荦绪论 = = 皇! 皇詈= = 皇= = ! = = = = = = = ! = 皇詈= = = = 皇詈詈= i ii 鼍皇= 皇= = = = = 詈= = = 詈= ! ! = ! ! = 竺詈! ! = = ! 皇= 皇= = = = = 鼍毫= = = = = 皇詈詈 流、交流( 工频至射频) 、双极性脉冲等等。实验研究表明，不同电压波形作用下的真空 绝缘闪络场强和闪络时延均存在很大差异，绝缘体系依施加电压波形不同而表现出不同的 闪络特性i 。直流闪络会在施加电压数秒后才会发生f 3 射，脉冲电压作用下的真空绝缘闪 络场强较高，闪络时延明显小于其他电压波形，且闪络场强随着脉宽的减小而上升，脉宽 越窄，场强越高，在纳秒阶段尤为突出1 3 3 l ，如图1 6 所示。 图1 6 脉宽与c i j 络场强的关系 强 舞 拣 g 外加电场作舟时阃 图1 7 闪络场强与外加电场作用时间 关系曲线 对于直流情况下的闪络电压，依据不同实验条件，研究者们得出的结论也不尽相同。 实验证明存在两种可能趋势，一是闪络电压随脉宽增加逐渐减小的趋势持续至直流电压， 二是在通过一最小值后闪络电压重新升高【3 4 。5 1 。对于5 0 6 0 h zt 频电压作用下的闪络电 压，实验结果均为各种电压波形最低【3 5 】。汇总不同电压波形作用下的实验结果，可得如 图1 7 所示闪络场强随外加电压作用时间的变化趋势图【3 6 1 。 1 2 4 理论研究成果 由于真空绝缘沿面闪络是一个非常复杂的物理过程，涉及学科领域众多，如高电压 绝缘技术、固体物理、表面物理、真空物理、气体放电、分子动力学、电介质物理、电工 材料学等等，加之不同研究者在客观实验条件及主观认识方面存在的差异，时至今日关于 该物理过程的微观发生机理尚无统一定论。 描述真空闪络机理的假说有多种，可大致分为“绝缘体表面以上( a b o v e s u r f a c e ) 一 和“绝缘体表面以下( b e l o w - s u r f a c e ) 两类。“绝缘体表面以上”假说以美国科学家 a n d e r s o n 和b r a i n a r d 提出的基于电子激励解吸附原理二次电子崩理论为代表，“绝缘体 表面以下 假说以法国科学家b l a i s e 和g r e s s u s 提出的电子触发极化松弛理论为代表。 7 日m宝v瞪辫酶g 高压纳秒脉冲下其中绝缘沿面闪络特性研究 1 2 4 1 基于电子激励解吸附原理的二次电子崩理论 二次电子崩理论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 n c h e ) 的基本论点是：在外加 电场的作用下，阴极三结合点( 真空、绝缘体、电极三者交界处) 处电场畸变，某些局部 区域场强显著增大。基于肖特基势垒效应( s c h o t t k y ) 以及f o w l e r - n o r d h e i m 隧道效应， 阴极三结合点处场致发射电子产生。真空中的绝缘体表面吸附着一层或多层气体分子，如 图1 8 所示，当初始电子在向阳极运动的过程中撞击绝缘体表面时，导致绝缘体表面产生 二次电子，并伴有绝缘体表面吸附气体发生脱附，形成气云，脱附气体分子受到高速电子 撞击发生电离。滞留在绝缘体表面的正离子使三结合点处的电场进一步增强，致使更多电 子从三结合点处发射出来汇入绝缘体表面电子流中。二次电子续又撞击绝缘体表面，致使 更多电子从绝缘体内发射出来，如此再生过程持续进行，最终沿绝缘体表面形成电子流并 导致闪络通道完全贯通，电极间绝缘失败。二次电子崩假设的核心观点是。绝缘体表面吸 附气体释放是导致闪络发生的关键f 4 7 1 。 ，、 ( + ) 正离子 、 【) 脱附气体分子 、- ， ：阴极 真空个 - 1 -阳极i 穴婆一i 图1 8 二次电子崩理论真空闪络模型 i 2 4 2 电子触发极化松弛理论 电子触发极化松弛理论e t p r ( e l e c t r o nt r i g g e r e dp o l a r i z a t i o nr e l a x a t i o n ) 的基本论点 是：绝缘介质内存在的陷阱电荷是闪络发生的根本原因【4 8 】。陷阱是电荷吸引中心，分子 结构中任何正负电荷作用中心不重合的地方都可能形成陷阱。陷阱电荷存在于从介质表面 至几微米深的介质表层里，被束缚在极化率相对周边环境较低的特定区域里。注入电子与 极化介质共同构成一种准粒子，称作极化子，每个极化子中都有势能存在，介质极化效应 8 第一荦绪论 导致密度较高的空间电荷形成【4 9 1 。 受到外界扰动之前，整个介质处于一种相对平衡状态，为维持这一平衡，极化子中 势能大小适度。大则足以保证电荷稳定，小则能够使电荷在各种扰动( 如温度变化、受到 外加电场作用、机械应力改变等等) 作用下能够发生迁移。处于平衡状态的介质存储了巨 大能量，这些能量的释放足以使大量表面吸附气体被释放出来l 鲥l 。空间电荷平衡状态极 其脆弱，容易被打破。如果其中一个电荷在外界扰动作用下突然挣脱出来，绝缘介质便会 将极化过程中聚集的极化能释放。在某一局部区域，如果有少量电荷挣脱出来，在电荷区 与非电荷区分界处会形成一个强电场。如果该电场强度超过释放电荷所需临界场强值，将 有更多电荷释放。伴随电荷释放过程的是大量高能电子和光子的产生，从而使电子激增并 最终导致空间电荷全线崩溃，闪络发生。 闪络过程的发展是多种物理过程的合一，其根本机理既是电荷从某些局部区域快速 脱离的过程，同时又是极化能的释放过程。维持闪络过程所需能量可由极化介质本身提供， 外界电场并非必不可少。 1 2 5 国内外相关研究机构 真空绝缘沿面闪络现象自发现以来，由于其特殊的现实重要性，受到学界高度重视， 许多国家相继开展了大量实验和理论研究，其中以美国的s a n d i a 国家实验室和t e x a s 工 学院、法国巴黎大学、日本京都( k y o t o ) 大学、英国b i r m i n g h a m 大学等科研机构最具 代表性。美国s a n d i a 国家实验室的主要研究内容是脉冲条件下的真空绝缘沿面闪络机理 4 7 , 5 2 1 ，以及脱附气体在闪络中的作用【5 3 。5 4 1 ；t e x a s 工学院针对的则是直流电压条件下绝缘 体表面处理对闪络特性的影响【5 0 , 5 5 - 5 7 1 ：法国巴黎大学是电子触发极化松弛理论的发源地， 主要研究绝缘介质电子束注入所引发的闪络现象5 8 5 9 1 ；日本京都大学的研究侧重是绝缘体 表面粗糙度和表面不同充电方式对闪络电压的影响【6 0 删：在不同绝缘体形状对闪络电压影 响及高压真空绝缘结构设计方面，荷兰爱因霍芬科技大学研究成果较为突出【7 厶7 6 l ；英国 b i r m i n g h a m 大学主要针对脉冲电压条件下真空沿面闪络过程中的发光特性展开研究 9 9 - 1 0 0 l o 真空绝缘沿面闪络特性研究在我国同样受到高度重视，鉴于人力资源、科研资料以及 物质条件等客观原因的限制，研究进展同国外相比存在较大差异。在学习借鉴国外科研资 料的基础上，经过我国科研工作者的不懈努力，实验研究条件不断完善，研究成果己初具 规模。目前国内开展相关研究的科研机构主要有清华大学【6 8 - 6 9 , 1 1 9 1 、华北电力大学 4 1 - 4 2 , 8 0 - 8 3 1 、 西安交通大学7 7 坍i 、中国工程物理研究院【1 0 2 枷3 1 和中国科学院电工研究所1 0 4 - 1 删等