（高电压与绝缘技术专业论文）纳秒脉冲下真空中绝缘材料表面带电现象的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对真空中有机玻璃和聚乙烯两种常用的绝缘材料，在陡脉冲前沿为5 0 n s 、半 高宽为3 5 0 n s 和3 u s ( 正负极性) 的四种脉冲电压作用下，本文研究了绝缘材料局 部放电和表面带电特性。围绕着真空沿面放电的实验装置，研制了二维表面电荷测 量探头，建立了沿面闪络光电测量系统，测量了不同脉冲下的各种局部放电现象和 表面电荷分布。 研究结果表明，在脉冲电压作用下，绝缘材料会发生各种局部放电现象，局部 放电是纳秒脉冲下绝缘材料表面带电的根本原因。在正负极性的长脉冲和短脉冲电 压作用下，只要发生局部放电表面就会出现正极性电荷；在长脉冲电压下不管是否 发生局部放电，表面都会出现正极性电荷。在正负极性电压作用下，电子发射总是 从阴极开始，使得阴极附近电荷密度大于阳极附近电荷密度，但由于材料陷阱分布 的影响，有时也会出现局部突变。对两种绝缘材料的研究表明，有机玻璃比聚乙烯 容易发生局部放电和积聚电荷，这可能与材料陷阱分布有关。表面带电与局部放电 电流大小有关，局部放电电流越大，表面电荷密度变化越大。 关键词：纳秒脉冲，真空，预闪络，闪络，表面电荷 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u to na no r g a n i ca n dap o l y e t h y l e n ei n s u l a t o r m a t e r i a l si nv a c u u mu n d e ri m p u l s ev o l t a g e ( r i s et i m e5 0 n s ，h a l f w i d t h3 5 0 n sa n d3 u s ) e x c i t a t i o nt os t u d yt h es u r f a c ec h a r g i n gd i s t r i b u t i o na n dp r e f l a s h o v e rp h e n o m e n a a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，ap r e f l a s h o v e rc u r r e n tm a yb eo b s e r v e dn e a r t h ep e a kv o l t a g e ，o rt h et a i lo fv o l t a g e ，o re v e nv o l t a g ec l o s et oz e r o p r e f l a s h o v e ri st h e b a s i cr e a s o nt h a tl e a d i n gt os u r f a c ec h a r g eu n d e rn a n o s e c o n dp u l s ee x c i t a t i o n p o s i t i v e s u r f a c ec h a r g ea l w a y sb e e nm e a s u r e du n d e rn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) l o n ga n ds h o r tp u l s ei f p r e f l a s h o v e rh a p p e n ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nn e a rc a t h o d ei sm o r et h a nt h a tn e a ra n o d e b e c a u s ee l e c t r o ne m i s s i o nb e g a nf r o mc a t h o d e p r e f l a s h o v e ra n ds u r f a c ec h a r g eo n o r g a n i ci se a s yb e e no b s e r v e dt h a no np o l y e t h y l e n e s u r f a c ec h a r g ei sr e l a t e dw i t ht h e p r e f l a s h o v e re v e n t s ，s u r f a c ec h a r g ed e n s i t yi n c r e a s ew i t hp r e f l a s h o v e rc u r r e n t y a n gl i ( h i 曲v o l t a g ea n di n s u l a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ic h e n g r o n g k e yw o r d s ：n a n o s e c o n dp u l s e ，v a c u u m ，p r e f l a s h o v e r ，f l a s h o v e r , s u r f a c ec h a r g e 华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对真空中有机玻璃和聚乙烯两种常用的绝缘材料，在陡脉冲前沿为5 0 n s 、半 高宽为3 5 0 n s 和3 u s ( 正负极性) 的四种脉冲电压作用下，本文研究了绝缘材料局 部放电和表面带电特性。围绕着真空沿面放电的实验装置，研制了二维表面电荷测 量探头，建立了沿面闪络光电测量系统，测量了不同脉冲下的各种局部放电现象和 表面电荷分布。 研究结果表明，在脉冲电压作用下，绝缘材料会发生各种局部放电现象，局部 放电是纳秒脉冲下绝缘材料表面带电的根本原因。在正负极性的长脉冲和短脉冲电 压作用下，只要发生局部放电表面就会出现正极性电荷；在长脉冲电压下不管是否 发生局部放电，表面都会出现正极性电荷。在正负极性电压作用下，电子发射总是 从阴极开始，使得阴极附近电荷密度大于阳极附近电荷密度，但由于材料陷阱分布 的影响，有时也会出现局部突变。对两种绝缘材料的研究表明，有机玻璃比聚乙烯 容易发生局部放电和积聚电荷，这可能与材料陷阱分布有关。表面带电与局部放电 电流大小有关，局部放电电流越大，表面电荷密度变化越大。 关键词：纳秒脉冲，真空，预闪络，闪络，表面电荷 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u to na no r g a n i ca n dap o l y e t h y l e n ei n s u l a t o r m a t e r i a l si nv a c u u mu n d e ri m p u l s ev o l t a g e ( r i s et i m e5 0 n s ，h a l f w i d t h3 5 0 n sa n d3 u s ) e x c i t a t i o nt os t u d yt h es u r f a c ec h a r g i n gd i s t r i b u t i o na n dp r e f l a s h o v e rp h e n o m e n a a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，ap r e f l a s h o v e rc u r r e n tm a yb eo b s e r v e dn e a r t h ep e a kv o l t a g e ，o rt h et a i lo fv o l t a g e ，o re v e nv o l t a g ec l o s et oz e r o p r e f l a s h o v e ri st h e b a s i cr e a s o nt h a tl e a d i n gt os u r f a c ec h a r g eu n d e rn a n o s e c o n dp u l s ee x c i t a t i o n p o s i t i v e s u r f a c ec h a r g ea l w a y sb e e nm e a s u r e du n d e rn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) l o n ga n ds h o r tp u l s ei f p r e f l a s h o v e rh a p p e n ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nn e a rc a t h o d ei sm o r et h a nt h a tn e a ra n o d e b e c a u s ee l e c t r o ne m i s s i o nb e g a nf r o mc a t h o d e p r e f l a s h o v e ra n ds u r f a c ec h a r g eo n o r g a n i ci se a s yb e e no b s e r v e dt h a no np o l y e t h y l e n e s u r f a c ec h a r g ei sr e l a t e dw i t ht h e p r e f l a s h o v e re v e n t s ，s u r f a c ec h a r g ed e n s i t yi n c r e a s ew i t hp r e f l a s h o v e rc u r r e n t y a n gl i ( h i 曲v o l t a g ea n di n s u l a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ic h e n g r o n g k e yw o r d s ：n a n o s e c o n dp u l s e ，v a c u u m ，p r e f l a s h o v e r ，f l a s h o v e r , s u r f a c ec h a r g e 华北电力大学硕士学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文纳秒脉冲下真空中绝缘材料表面 带电现象的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他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了谢意。 学位论文作者签名：堑堑日期：d 爱宝i 墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：j 址 e l 期：2 塑室：主：2 导师繇锄- p 髭导师签名：型尘一z 华北电力大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 真空中固体绝缘材料沿面闪络与表面带电研究的意义 真空作为一种特殊的电介质，其优良的介电性能备受高压电器设备设计者的青 睐，许多高功率设备，如高强度x 射线源、大功率微波管、电子加速器等都采用真 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，还可以显著减少绝缘 成本，降低自重【lj 。 但是，当真空中加入绝缘支撑后，由绝缘子和真空组成的绝缘体系，其绝缘强 度将会发生很大变化，加入绝缘子后的绝缘强度远小于相同大小的纯真空间隙或绝 缘子本身的体击穿绝缘强度。例如真空击穿场强大于3 5 k v m m ，而引入绝缘支撑后 场强下降为几个至十几个k v m m 。其原因是绝缘子发生了沿面闪络，即沿真空和绝 缘体交界面发生了贯穿性的电击穿。因此沿面闪络是影响整个绝缘体系绝缘性能的 关键因素。 真空中绝缘材料沿面闪络的发生，制约了许多电真空器件的电器性能，更影响 了相关尖端设备的正常运行，造成巨大的经济损失。例如美国斯坦福大学线性加速 器中心的调速管、日本高能物理国家实验室中的加速器及美国能源部c e b a f 的加 速器都曾发生过由于真空中绝缘子沿面闪络现象引起的问题，使大型设备造成损坏 【l 】。西北核技术研究所的“闪光二号 加速器真空二极管中的径向有机玻璃绝缘子 和“强光一号”加速器二极管中的聚乙烯绝缘堆，在使用过程中，由于沿面闪络， 造成二极管输出能量损失，多次使用后，其绝缘性能下降以至于无法满足实际需求。 为了避免沿面闪络带来的损失，真空中绝缘结构主要采用加大绝缘子的尺寸， 延长沿面闪络的距离，但这样使得设备体积增大，系统造价升高，加工难度增大。 虽然增大绝缘距离避免了沿面闪络的发生，但是并不能解决最终问题，这一问题的 存在，大大限制了脉冲功率技术的发展。当前脉冲功率技术的发展趋势是向更高功 率、更小体积、更快前沿和更高性价比方向发展，例如，美国s a n d i a 实验室提出的 将现有的s a t u r n 装置改造为用于直接驱动z p i n c h 的新s a t u r n 计划中，要求在保证 输出电压2 2 m v ，峰值电流1 0 1 4 m a 不变，驱动相同丝阵负载时，负载电流从约 6 4 m a 变为9 6 m a ，x 射线能量从约1 6 0 k j 变为3 4 0 k j ，射线脉冲前沿从约3 l n s 变 为1 8 n s ，装置占地直径从3 0 m 变为1 5 m ，装置高度5 m 保持不变，尺寸和造价减小 了3 倍多i z j 。又如，国际电工委员会议提出新的电磁脉冲( n e m p ) 参数标准由原 来的上升前沿5 1 0 n s ，脉宽几百纳秒变为上升前沿2 5 n s ，脉宽2 3 n s 的新标准【3 】。 所有这些技术都是基于快脉冲直接驱动源技术、新型储能单元模块化技术、超高电 功率馈送技术和低电感高压气体开关技术等关键技术的发展，而这些技术的发展对 华北电力大学硕士学位论文 固体绝缘材料的沿面闪络性能提出了更高的要求，固体绝缘体系的沿面闪络正是制 约这些技术发展的瓶颈技术。 由于真空中绝缘材料沿面闪络的重要性，国内外许多专家学者对绝缘子沿面闪 络现象的特性、影响因素及形成机制展开研究，并寻求防止绝缘子沿面闪络，提高 沿面闪络的方法，探索真空中绝缘子沿面闪络的形成原因及其机理，从而改善和提 高电真空器件的性能。主要展开的工作集中在研究不同电压形式，不同的电极结构， 不同的绝缘材料等方面。通过对沿面闪络的研究，m i l l e r 总结了影响沿面闪络的各 种因素【4 巧】，主要包括电压波形、绝缘子结构、材料性质、放电速度、表面处理等。 其中明确提出，表面电荷也是影响沿面闪络的一个重要因素。 对于表面电荷的认识，最初起源于直流g i s 的发展【1 0 , 2 3 】。由于直流g i s 绝缘子 长期承受单极性直流高压，且其表面可长期保持干燥和清洁，因此在外施电压作用 下表面电荷积聚起来不容易消失，而表面电荷的积聚改变了原设计结构的电场，因 此在有些情况下可能引起绝缘子异常闪络，从而导致电力系统的故障。因此上个世 纪8 0 年代，英美法等国就对直流电压作用下的表面电荷积聚开始专题研究。 进入2 0 世纪9 0 年代后，在研究交流输电系统中发现隔离开关断开后，g i s 母 线上的残余电荷可以导致母线承受近0 8 p u 的直流电压，这同样可以使母线段的绝 缘子表面积累大量的电荷【9 】。表面电荷的存在可以对开关断开时产生的暂态过电压 产生的电场起到增强作用，使绝缘子沿面闪络电压下降。如在电力系统2 2 0 k vg i s 绝缘子沿面闪络事故的分析中，就明确指出过由于表面电荷积聚引起绝缘子沿面闪 络电压下降的现象。 随着对表面电荷的深入研究，人们发现不仅在直流和交流电压作用下表面会积 累电荷，脉冲电压作用下，绝缘材料表面也会积累电荷【7 - 9 , 1 2 - 2 1 】，根据这些研究结果 表明那些引起绝缘子沿面闪络的绝缘缺陷，在外施电压作用下都有可能成为绝缘子 表面电荷的来源，并且认为沿面闪络的发展与绝缘材料表面电荷的发展直接相关。 认为当表面电荷积累到一定程度时，绝缘材料表面就会发生贯穿形的电击穿，即沿 面闪络。 由于表面电荷与沿面闪络存在密切关系，希望通过对表面电荷积聚问题的研 究，不但可以进一步认识影响绝缘子沿面闪络的本质因素，而且可以通过对材料表 面电荷分布的研究，分析介质内部及介质交界面处的微观介电现象，为研究纳秒脉 冲下不同绝缘材料的沿面闪络特性，探索纳秒脉冲下沿面闪络的机理，寻找新型的 耐电强度高的绝缘材料，提高纳秒脉冲下真空中沿面闪络电压提供依据。因此研究 纳秒脉冲下沿面闪络与表面电荷对于脉冲功率技术的发展具有十分重要的意义。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 绝缘材料表面带电研究的进展 尽管人们很早就认识到绝缘子表面电荷积聚对绝缘材料的沿面闪络有重要影 响，但由于测试条件限制，对这方面的研究工作开展的很少，近来人们越来越认识 到空间电荷对介质材料性能的重要性，随着真空中表面电荷测试的不断成熟，人们 更多的开展了表面带电的研究工作，企图弄清出表面带电的原因以及表面带电对沿 面闪络的影响。通过大量试验结果，找出了许多影响表面带电的影响因素，并提出 了表面带电的机理。 1 2 1 表面带电测量方法 表面电荷的测量属于静电测量的范畴，因而不能使用常有的电工仪表进行测 量。表面电荷的测量会受到周围环境的影响，使得测量结果受到显著的差异。迄今 为止，还没有找到重复性很好的测量方法。通常根据不同的测量对象、试验要求选 用特定的测量手段，以达到预期的研究目的。 表面电荷的测量方法主要有：粉尘法、电容探头法、超声波法、电声脉冲法等。 由于超声波法只适用于绝缘薄膜带电现象的观测，因此该方法一直没有得到广泛的 应用，研究报道不多。近年来有的研究者利用电声脉冲法对两种固体介质交界面处 的表面电荷进行了测量，但由于设备昂贵复杂，且此法仅适用于两种介质交界面处 的表面电荷积聚问题的研究，因此在表面电荷研究方面的应用有限。另外有的研究 者利用p o c k e l s 效应对绝缘薄膜表面电荷及表面电位实现了精确测量【1 8 , 2 8 ，这种方 法采用光学原理，测量中需要用到相干光源、偏振光束分流器，高速摄像机等设备， 设备昂贵，测量不方便，而且该方法只能应用于透明的绝缘材料，对于大多数不透 明的绝缘材料该方法无能为力。因此对于气固交接面处表面电荷分布的观测主要采 用的方法为粉尘图法和电容探头法。 粉尘图法是利用某些带电的固体粉尘剂( 如红色的p b 3 0 4 ) 在绝缘子表面静电 荷作用下产生的吸附效应实现对绝缘子表面电荷的观测。将这些粉剂均匀地喷洒在 已经积聚了电荷的绝缘子表面，通过观察绝缘子表面固体粉剂的颜色分布来判断电 荷在绝缘子表面的分布情况和电荷的极性。该方法具有相当的直观性，尽管无法实 现准确的测量，但即便是现在，粉尘图法还是检验其他测量方法准确性的一种粗略 检测手段。另外，当向被测表面喷洒固体粉尘时，可能会影响被测表面的电荷分布。 在本研究中，因为需要测量的是真空环境下的表面电荷分布，该方法不可能在保证 真空的前提下完成测量，所以此方法不适用于本研究。 电容探头法分为动电容探头法与静电容探头法两种。动电容探头法实际上是将 静电信号转化为动态信号来测量，因此不用考虑前置运算放大器偏置电流对运放输 华北电力大学硕士学位论文 出的影响。但由于受探针面积较小及探头运动幅度不可能很大的限制，电容探头在 运动过程中探针与绝缘子表面之间的电容变化非常小，为了提高测量系统的分辨 率，要求电容探头本身的电容值以及测试线路的入口电容值极为稳定，这在探头高 速振动过程中是非常难实现的。另外由于测量过程中电容探头是振动的，对于一些 形状比较复杂的绝缘子，这种方法的应用受到了一定的限制。 随着集成运算放大器性能的不断提高，高输入阻抗、低偏置电流的集成运放已 经有产品问世，这使得静电容探头法在2 0 世纪9 0 年代初开始为一些研究者所采用。 由于静电探头无需振动装置，所以整个探头结构简单，可以探测一些因绝缘子表面 形状复杂而无法使用动电容探头的场合。但是这种方法一般只适用于一些薄的电介 质，绝缘薄片，和绝缘薄膜，因为这些绝缘材料对地有比较大的电容，在空气中容 易引起电荷积累。 对于一些厚的电介质材料，其对地电容很小，在潮湿的空气中容易引起电荷泄 漏。近年来随着s f 6 气体和真空绝缘介质的发展，在这些介质中，介质的表面电导 比较小，在固体介质表面电荷积累成为一个重要问题，因此对这些介质中比较厚的 绝缘材料表面电荷的积累不能采用静电电容法，而是采用不同的等效积分法对表面 电荷进行估算【l7 。 1 2 2 影响绝缘子表面带电的因素 虽然对于表面电荷的积聚有了很多的研究方法，但是还没有一种方法能够真正 实现在线测量表面电荷，对于气体或真空绝缘介质中的电荷测量，其在线都是指在 不破坏试验环境下的在线测量。而且，即便采用同一种测量方法，由于设计探头不 完全一样，试验条件也不一样，因此得到结果也不完全一样。重要的是影响表面电 荷积聚的因素很多，总结分析，影响绝缘子表面电荷积聚的因素可以分为以下几个 方面： ( 1 ) 电压波形 在交流、直流和脉冲电压作用下，绝缘子表面都会积聚表面电荷。其中在直流 和脉冲作用下表面电荷积聚显著，而交流电压作用下表面电荷分布比较复杂。由于 直流电压作用时间较长，因此直流电压下主要展开了不同作用时间和不同极性下表 面电荷的分布；对脉冲电压，主要针对雷电长脉冲。研究表明在针尖电极下，雷电 脉冲和直流电压作用下都产生单极性电荷，而交流电压电压作用下产生双极性电荷 【i i 】 o ( 2 ) 电压幅值和作用时间 表面电荷密度随着电压幅值增加变化比较复杂。文献 6 在研究圆柱形聚四氟乙 烯绝缘子在直流电压下的表面电荷的分布时，发现随着电压升高，表面电荷在增加， 4 华北电力大学硕士学位论文 且从负极性变为正极性，如图l - l ( a ) ，图中1 ，2 ，3 分别表示三次试验取得的结 果。但也有研究者的实验数据表明随着外施电压幅值的增加，表面电荷密度在增加， 但没有出现电荷极性翻转的情况【8 】。还有研究表明，试样表面电荷密度随着电压升 高，开始时增大，但当试样发生沿面闪络后，表面电荷密度急剧下降【81 4 - 1 5 】，如图 1 1 ( b ) ，电压升高到2 2 k v 时，表面电荷密度达到最大值，当2 4 k v 闪络后电荷密 度降为约7 u c m 2 。 鞠 “e 莹 m 留3 0 一 墨柏 翟1 0 e 磊 o e o 却 刈 o 耄 喜 童 a 眇e dv o l t a g e ( k v i 栩_ 嘲- ( a ) 电荷极性随着电压幅值增大出现翻转( b ) 表面电荷随电压幅值先增大后减小的情况 图1 1 表面电荷密度与外加电压幅值的关系 由于直流电压作用时间很长，因此很多研究者对直流绝缘子不同作用时间的表 面电荷积聚进行研究，表1 为文献 1 6 】中研究不同电压作用时间下表面电荷变化规 律，表明随着电压作用时间的增加，表面电荷在开始有较大增加，随着时间的继续 增加，表面电荷增长缓慢，并趋于饱和，当达到饱和时，表面电荷密度会随着电压 增加出现一定的波动。 表1 1 直流电压下表面电荷密度随电压作用时间的关系 对于脉冲电压，由于研究脉冲都是单次脉冲，因此主要开展了施加不同脉冲电 压次数后表面电荷的变化，文献 8 9 】研究微秒脉冲下，在同一电压作用，施加不同 的次数后，表面电荷变化不大。如图1 - 2 是文献 8 】在2 0 k v 脉冲电压下分别加压1 次、5 次、1 5 次、2 5 次后检测到的表面电荷分布，其表面电荷变化很小。 华北电力大学硕士学位论文 量 耋 芎 妻 量 喜 雪 差 ( a ) 2 0 k v 脉冲电压作用1 次的电荷分布( b ) 2 0 k v 脉冲电压作用5 次的电荷分布 i o i 雪 差 量 喜 耋 差 ( c ) 2 0 k v 脉冲电压作用1 0 次的电荷分布( d ) 2 0 k v 脉冲电压作用2 0 次的电荷分布 图1 2 电荷密度随电压作用次数的关系 ( 3 ) 电压极性 文献【9 , 1 4 , 2 1 】研究了同一电极结构下不同电压极性下表面电荷的分布，研究表明， 对于同一种电极结构，正极性电压作用下，绝缘材料表面出现正电荷，负极性电压 作用下，绝缘材料表面出现负电荷。图1 3 的( a ) 和( b ) 为文献 1 4 中针板电极下 不同极性电压作用下绝缘材料发生闪络前的表面电荷分布结果，从图看出，在正极 性电压作用下，电荷起始于阳极三结合点处，最大正电荷密度出现在阳极附近，在 阴极三结合点没有电荷；而在负极性电压作用下，电荷起始于阴极三结合点，最大 负电荷密度出现在阴极附近，电压到一定值时在阳极三结合点有正电荷。正负极性 电压作用下，表面电荷密度达到一定值时，发生闪络，闪络后不同极性的电荷分布 也不同，如图1 3 的( c ) 和( d ) 。正极性电压作用闪络后，表面带正电荷，而负极 性电压作用后，阴极附近是负电荷，而阴极以外到阳极是正电荷。根据这种试验结 果，作者分析认为，正极性电压作用下，电荷的产生是由于绝缘材料表面的自由和 陷阱俘获电荷的存在，或者是由于电子从价带向导带的迁越；而负极性电压作用下 是由于电子沿绝缘材料表面的输运和二次电子发射造成的。 6 华北电力人学硕士学位论文 百、 e a j 、一 套 c o d p o d i s t a n c ef x 0 1m m l ( a ) 正极性电压下电荷分布 ( a 】y d _ r 函n m m ) r 瞰二唧1 m m ) 崔 a 二 、， 空 c 0 凸 d i s t a n c e ( x 0 1m m ) ( b ) 负极性电压下电荷分布 一 戳 爱 j q b 口 溯 啊厂 一，一一一 。 m笛 c 拜m ，卜。 ci 6 、 q?；， ( b ) y d i r j 赢n m m ) ，。瑚 - 。 ，：- ； x d _ 鹏c l i o n ( x o 1m m ) ( c ) 正极性电压闪络后电荷分布( d ) 负极性电压闪络后电荷分布 图1 3 针板电极不同极性电压作用下表面电荷分布 ( 4 ) 绝缘材料的影响 绝缘材料对绝缘子表面电荷积聚影响比较大。文 7 】研究了s f 6 气体中聚四氟乙 烯和尼仑绝缘子表面电荷的分布，文 1 4 ，2 1 1 研究了不同a l 2 0 3 绝缘子表面电荷的积 聚，文 8 研究了添加不同比例a l 2 0 h 陶瓷样品的表面电荷变化。研究表明绝缘子 的介电常数越大，表面电荷积聚越严重，相应闪络电压越低；对于无机材料来说， 氧化铝纯度越高，表面电荷越容易积累。图1 4 是文 7 研究s f 6 气体中针板电极下 不同绝缘材料的表面电荷的分布。从图中看出在2 7 k v 电压下，聚四氟乙烯表面积 聚负电荷，而尼仑积聚正电荷，在7 7 k v 电压下，两者都积聚正电荷，并且尼仑表 面积聚电荷远大于聚四氟乙烯表面电荷。 一j j u t1一釜毋coq o o l 彤c o 华北电力大学硕士学位论文 7 7 巩p t f e ( a ) 2 7 k v 下不同材料的表面电荷分布 ( b ) 7 7 k v 下不同材料的表面电荷分布 图1 - 4 不同材料的表面电荷分布 ( 5 ) 电极结构 电极的几何结构是影响电子发射的主要因素，文【6 ，1 9 2 0 ，3 1 1 研究了直流电压， 不同几何结构下三结合点的电场分布和表面电荷特性，说明表面电荷与电场分布有 关。 图1 5 是负极性直流电压作用下，四种不同高压电极的几何结构和三结合点的 等位线分布，从图中看出，电场分布与高压电极的几何结构密切相关。图1 5 ( b ) 和( c ) 固体电介质表面等位线平行于介质表面，而图( a ) 和( d ) 等位线垂直于介 质表面。图1 - 6 是与图1 5 相应的二维表面电荷分布，图1 - 6 中( b ) 和( c ) 阴极三 结合点处的表面电势只有在阴极附近出现负极性电位，而( a ) 中，在地电极周围有 正极性电荷，图( d ) 中阴极三结合点处是正极性电荷。因此，绝缘材料表面的电 场分布影响了电荷分布。分析原因，当三结合点处的电场分布的电力线平行于电介 质表面时，如图1 5 ( a ) 和( d ) ，三结合点处的电子容易形成二次电子发射，地电 极附近形成正电荷，如图1 6 ( a ) ；同样在图1 6 ( d ) 中在阴极附近和地电极一周 华北电力大学硕士学位论文 出现正电荷。而图i - 5 ( b ) 和( c ) 中电力线垂直于绝缘表面时，二次电子发射不 容易形成，因此只在阴极三结合点处出现负电位。 必名 二乡7l 囊 ( b ) 半球柱电极 默 妙 i i 3 一! k 嘲扯 f， 7 l 烈 k ，- _ i t 1 纱； 一一 一，一， ( c ) 4 5 度倾角( d ) 1 3 5 度倾角 图1 5 不同高压电极三结合点处等位线分布 羲 墓 e 毡幢l 雹电 奶鹄 l ( a ) 圆柱电极 9 ( b ) 半球头电极 化。彤甜私邪。 _uo百_口l黏o盘封口荩拳 华北电力大学硕士学位论文 器 ：| | l 耋 ( c ) 4 5 度倾角( d ) 1 3 5 度倾角 图1 - 6 不同高压电极下绝缘材料表面电势分布 ( 6 ) 其它影响因素 表面粗糙度的影响：表面粗糙度是影响沿面闪络的一个重要因素，相应的也影 响到表面电荷的积累，文献【8 2 l 】研究了不同粗糙度的表面电荷积累与沿面闪络的关 系，发现不同研磨处理后的表面带电结果不一致，表面粗糙度越小，其沿面预闪络 现象就越不活跃，表面带电越少，闪络电压越高。 周围环境的影响：根据实验条件不同，研究者们主要针对s f 6 气体中不同气压 和不同真空度展开研究，文 9 表明随着气压升高，表面电荷密度的不均匀性和电荷 密度幅值均增大。但关于不同真空度下表面电荷积聚还未见报道。 另外工作环境的湿度也影响表面带电。文献 9 研究空气中晴朗天气与阴雨天气 下绝缘子表面电荷积聚，表明晴朗天气绝缘子表面电荷积聚比阴雨天气严重，这主 要是由于晴朗天气表面电导率比阴雨天气表面电导率小，因此晴朗天气绝缘子表面 电荷消散比潮湿天气情况下慢很多。 总之，影响表面电荷的因素较多，对于同一实验条件，研究者们得到不同的实验结果， 这是由于研究者的实验条件不完全一致所导致，因此对于一些矛盾的现象还不能得到合理 的解释。 1 2 3 绝缘材料表面带电的机理 尽管国内外已经开展了大量的绝缘子表面带电现象的研究，但是对于真空中绝 缘子表面带电的机理，表面电荷对沿面闪络的作用等的认识还是不十分清楚。目前 对于表面带电形成的机理通常有三种观点。 第一种观点是基于真空中绝缘子沿面闪络的s e e a 模型【5 , 2 9 - 3 0 】。根据s e e a 模 型，绝缘子表面带电现象的产生可以归结于表面的二次电子发射。当高压施加到绝 缘体系上后，绝缘子电极真空的交界区的局部场强较高，在阴极附近产生初始二 l o 舢彬n麟们彬彤， 孓篷怠毽嚣，&籍蜃置绣 华北电力大学硕士学位论文 次电子发射。真空中的绝缘体表面吸附着一层或多层气体分子，当初始的电子在向 阳极运动过程中，撞击绝缘体表面，导致绝缘体表面产生二次电子发射。由于二次 电子发射而在阴极表面留下正电荷，使得阴极附近的空间电场得到强化，阴极电子 发射加强，新的初始电子再一次使阴极附近产生二次电子，表面留下更多的正电荷； 由于表面正电荷造成的空间电场的影响，表面发射的二次电子只局限在绝缘子表层 附近，在外加电场作用下向阳极移动，在移动过程中，能量足够高的电子再次碰撞 绝缘子表面，又一次产生二次电子发射，不断发射形成电子崩向阳极移动，直到到 达阳极。根据这种观点，外加电压作用后，绝缘材料表面应该积累正电荷，并且电 荷分布从阴极向阳极逐渐衰减。这一观点得到很多学者的认可，是表面带电的一个 重要原因。图1 7 是二次电子崩理论真空闪络模型。 o 硼j o 靛盼脚f n 、7 电鼻过程 广f 图1 7 二次电子崩理论真空闪络模型 第二种观点类似与前一种，但是其认为初始电子在绝缘子内表层的导带中被加 速而获得能量，在导带中碰撞电离的结果导致绝缘子的表面带叫1 2 , 1 4 。这种观点认 为，在电场作用下，固体表面的导带中存在一些电子，这些电子一方面在外加电场 作用下被加速获得动能，另一方面与固体表层作用而损失能量，在一定条件下两者 处于平衡状态，固体表面形成稳定的电导。当外加电场升高后，电子从电场中获得 的能量大于其损失的能量，电子的动能越来越大，电子与表层的相互作用就导致电 离而产生新的二次电子，同时在价带中留下正电荷。导带中的电子向阳极运动的过 程中还能够继续获得能量，在向阳极运动过程中还会发生碰撞电离产生新的二次电 子。由于电子和正电荷的迁移速度不同，因此绝缘表层留下正电荷。 第三种观点把绝缘子表面带电归结于绝缘子由表面( 或本身) 的缺陷引起的陷 阱捕获释放电荷的过程【1 2 , 1 4 】。一般介质中存在各种缺陷，形成了不同的陷阱中心， 正负电荷俘获中心的出现形成了一个附加的空间电场，使得局部区域的场强提高， 如果外加电场与空间电场的合场强没有超过该区域的临界场强时，绝缘体处于相对 平衡状态。一旦这种平衡状态被破坏，以负电荷俘获中心的电子为例，电子将脱离 陷阱，形成电子崩向阳极移动，而在所经表面留下正电荷。相反如果正电荷俘获中 华北电力大学硕七学位论文 心占主要因素，则表面就会形成负电荷。 试验研究中，由于不同的研究者采用的电压，电极及绝缘子结构不同，观察到 表面电荷积聚不同。用表面电荷产生的原理去解释，单一原因不足解释不同条件下 产生机制，而且表面电荷的形成肯定不是单一的过程，上述3 种观点都会起作用， 关键看哪种占主导地位。 1 3 表面带电现象的研究现状和存在问题 由于表面电荷的重要性和实际意义，国内外不同的研究小组对表面电荷展开了 不同的研究，主要集中在以下几方面： 日本京都大学的t a k u m a 等人致力于研究电容探头法的准确标度问题，提出了 关于对一些厚样品表面电荷进行标度的算法【1 7 j 8 】；名古屋大学的y y a m a n o 等人研 究了不同三结合点处的场分布与表面电荷的关系【1 9 。2 1 1 ，表明阴极三结合点处的场分 布影响了表面电荷的分布，当阴极附近电力线的方向与电介质表面平行时，二次电 子发射从阴极开始，样品表面留下正电荷，相反，当阴极附近电力线方向与样品表 面垂直时，阴极的二次电子发射难以形成，所以阴极附近产生负电荷：o y a m a m o t o 等人用一种安装在阴极三结合点处的环形静电探头实现了在线测量由表面电荷引 起的电场分布【1 1 , 1 5 】，并采用m o n t ec a r l o 方法对电荷的产生进行了模拟。 英国的f a r i s h 等人的研究主要集中于研究表面电荷积聚对沿面闪络的影响，具 体研究内容包括雷电脉冲下表面电荷的积聚问题，s f 6 气体中表面电荷的积聚，预 加电荷对闪络电压的影响等。这些研究侧重实际工程，对表面电荷的机理研究不 多【7 ，3 2 】。 德国的t e n b o h l e n 等人研究了冲击电压作用下表面电荷积聚对绝缘子沿面闪络 发展进程的影响，发现表面电荷在有些情况下对绝缘子的沿面闪络发展过程影响非 常大【l3 1 。b o e c k 等人的研究小组致力于研究绝缘子表面电导率对绝缘子表面电荷积 聚影响的研究，认为通过在绝缘子表面涂抹一层导电率较高的材料可以减少绝缘子 表面电荷积聚【2 引。 近十年来，国内对沿面闪络与表面带电也展开了研究，主要有华北电力大学的 丁立健，他主要研究了冲击电压作用下绝缘材料沿面预闪络与表面带电的关系【8 】； 西安交通大学高压教研室曾经研究过s f 6 气体中绝缘子表面电荷对绝缘子沿面闪络 的影响【2 3 2 6 1 、真空中绝缘子的表面带电现象及其积聚原理【2 7 】；研究了直流和冲击电 压作用下影响绝缘子表面电荷积聚的因素，并分别建立了直流电压和脉冲电压作用 下绝缘子表面电荷积聚的模型【9 1 。 虽然关于脉冲电压作用于表面带电现象的研究也取得了一定的成果，但是研究 中的脉冲电压主要针对长脉冲及标准雷电脉冲作用下的绝缘子表面电荷积聚，对于 1 2 华北电力大学硕士学位论文 脉冲功率技术当中快前沿、短脉冲电压作用下的电荷积聚问题还不清楚。由于表面 电荷积聚是影响沿面闪络的一个重要因素，同时绝缘材料发生闪络前的预闪络( 局 部放电) 对真空中沿面闪络也有较大影响，因此需要研究快前沿短脉冲电压作用下， 绝缘材料发生沿面局部放电和闪络前后表面带电现象，为研究纳秒脉冲下沿面闪络 的机理提供技术支持。这里说明一点，在以往研究预闪络时，都将闪络通道没有形 成时所观察到的各种小电流脉冲或光脉冲称为预闪络，在本文预闪络指闪络通道形 成前，即脉冲电压开始下降，闪络电流开始上升前一时刻的小电流信号和光信号脉 冲，而将其余的小电流信号都称为局部放电。 1 4 论文的主要工作 本文以脉冲功率技术当中常用的两种绝缘材料一有机玻璃和聚乙烯为研究对 象，研究前沿5 0 n s ，半宽分别3 5 0 n s 和3 u s ，不同极性的四种脉冲电压作用下，绝 缘材料发生局部放电前后和闪络前后的表面电荷分布。主要研究内容包括： ( 1 ) 建立一套真空中绝缘材料沿面闪络与表面电荷分布研究的试验平台，包括脉 冲电源系统，电极试样系统，真空系统、快响应光电测量系统和高灵敏度、 高空间分辨率的二维表面电荷测量系统。 ( 2 ) 测量施加脉冲电压时的电压、电流及光信号，分析试验中发生的各种局部放 电和沿面闪络现象。 ( 3 ) 研究不同脉冲半高宽和不同极性脉冲下电荷分布，以及同一脉冲不同材料的 电荷分布，着重研究绝缘材料发生局部放电前后表面电荷的分布变化。 ( 4 ) 分析表面带电与绝缘材料发生局部放电和沿面闪络的关系。 华北电力大学硕士学位论文 第2 章试验装置及测试系统 本文研究纳秒脉冲下真空中有机玻璃和聚乙烯绝缘材料发生的各种局部放电 现象和局部放电前后和闪络前后表面电荷分布，探索真空中纳秒脉冲下表面电荷积 聚与长脉冲电压下的不同，进一步分析局部放电与表面带电的关系。因此本试验装 置主要包括：脉冲电源，真空系统，电极与试验系统，沿面闪络光电信号测量( 主 要是沿面闪络电压、电流和光信号) ，表面电荷测量系统。本章重要介绍该试验系 统的试验设备及研制方法。 2 1 纳秒脉冲电源 脉冲功率技术研究中常用的脉冲电源有高压脉冲产生器和m a r x 发生器，为了 研究不同脉宽下表面电荷的分布，要求该脉冲源能够提供不同的输出参数。本文采 用西北核技术研究所实验室自行研制的m i n i 型m a r x 发生器，通过改变脉冲源的输 出负载和电容器上充电电压极性可以得到不同的输出脉冲源。例如当脉冲电源充正 极性直流电压时得到负极性脉冲，相反则得到正极性脉冲。当脉冲源输出负载为不 同阻值时得到不同宽度的脉冲源。图2 1 和2 2 是本文所用两种不同宽度的脉冲电 压波形，每种脉宽下都有正负极性两种脉冲。其中2 1 是负载为2 0 0 f l 时的正负脉 冲，前沿5 0 n s ，半宽3 5 0 n s ；2 - 2 是负载为5 k 时的正负脉冲波形，前沿5 0 n s ，半宽 3 u s 。在本文研究中定义脉宽为3 5 0 n s 的脉冲为短脉冲，脉宽为3 u s 的脉冲定义为长 脉冲。 _ _ 一_ 0 。i i 。i i 一。：r ；隧 二二 。一二 l j一，、o 一 ；一：o i ； j 一一= -i i i - 一j 曙：， 主：睡l ：一一一7 i i f i - , 2 9 日n 1 0 k i c h 25v 0r 嗤 h “22 16 占k v - i i l c i z | v 6 帅僻i i _ - i _ - 蓬 h l - - m 一。二 _ 一一 ! 口一 图2 - 1 前沿5 0 n s ，半宽3 5 0 n s 的正负脉冲图2 - 2 前沿5 0 n s ，半宽3 u s 的正负脉冲 2 2 试样与电极系统 在以往研究绝缘子沿面闪络与表面带电现象时所采用的电极系统有针板电极 和平板电极，其中平板电极系统较多，其试样是圆柱形绝缘子，绝缘样品夹在两个 1 4 华北电力大学硕士学位论文 平行板电极之间，这种电极试样结构在安装时比较方便。但是这种电极系统中沿面 闪络可能发生在试样的任何一个位置，因此，对于观察沿面闪络和沿面局部放电时 的发光信号十分不便，为了更好地监测沿面闪络过程的发光和表面带电现象，本文 选用闪络通道相对固定的指形电极结构。图2 3 是本文采用的指形电极试样系统。 ( a )俯视图 1 l ：连接固定螺栓2 ：绝缘子试样3 ：试样调节螺栓4 ：p t f e 托架 ( b ) 正视图 图2 3 试验所用指形电极系统 试样电极系统包括电极和试样托架两部分：电极采用不锈钢指形电极，直径 2 0 m m ，电极表面光洁度为花3 2 以上，并经过抛光处理。为了避免电极一周棱边的 强场发射，在电极一周导r 1 的圆弧。电极压在绝缘子试样表面，通过连接固定螺 栓将电极、托架连接在一起。试样托架采用聚四氟乙烯制作，