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专委会副主任委员张冠军团队在IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation发表真空中脉冲电压下固体介质沿面闪络的综述论文
发表时间:2018/12/24 9:47:08  点击:386

专委会副主任委员张冠军团队IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation发表真空中脉冲电压下固体介质沿面闪络的综述论文

张舒郭宝烘

2018-12-19

真空-固体复合绝缘广泛应用于脉冲功率、高功率微波、高能物理、航天和真空电气电子等领域,Z-Pinch类似装置的轴向分层绝缘堆、直线感应加速器(LIA)类似装置的径向和轴向绝缘支撑结构、其它高能物理装置及电真空器件的固体绝缘支撑等,1所示。以脉冲功率装置为例,其所用真空-固体复合绝缘系统可抽象成两种典型绝缘结构,如图2所示。

1  美国Sandia国家实验室Z-300加速器三维横截面示意图 [1]

(a) 轴向绝缘堆结构                (b) 径向横隔板绝缘结构

2  脉冲功率装置中两种典型绝缘结构的示意图

外施高电压下会发生沿固体介质表面的放电/闪络现象,如图3所示,导致系统绝缘失败,进而引起整个脉冲功率装置无法正常工作,严重时会造成极大的破坏。据报道,美国斯坦福大学线性加速器中心的调速管、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发生过由于绝缘子闪络而引发的事故。因此,真空固体绝缘技术是决定大型脉冲功率装置整体性能和安全运行的关键。

   

(a) 对称电极结构                                       (b) -板不对称电极结构 [2]

3  两种典型电极结构的真空沿面闪络示意图

随着以脉冲功率技术为依托的各种前沿技术因其广阔的发展前景和重大研究意义得以蓬勃发展,其对真空固体绝缘技术的要求也不断提高。Z-Pinch大电流驱动装置为例,要求数十TW量级的功率经过同轴传输穿越不同介质氛围进入真空区域,不同介质氛围中功率流链的击穿场强EBD和最大功率密度Pmax1所示,可以看出,真空-固体绝缘界面是功率流链中最为薄弱的环节和瓶颈,如何提高真空绝缘子的沿面耐电强度已成为脉冲功率装置发展面临的关键问题之一。因此国内外众多学者针对真空沿面闪络现象开展研究,试图揭示其放电机理并寻求提升沿面耐电性能的有效方法。这对保证脉冲功率装置的安全稳定运行以及促进新的脉冲功率装置向小型化、快前沿、高功率等方向发展具有重要的科学意义和军事应用前景。

1  脉冲功率装置中不同介质功率流链的阈值

介质类型

εr

EBD (MV/m)

Pmax (TW/m2)

80

75

130~270

塑料

2.3

100

480

真空-固体绝缘界面

1

15

7

非磁绝缘真空

1

40

4.2~42

磁绝缘真空

1

300~600

240~10000

近日,等离子体及应用专委会副主任委员、西安交通大学高压放电与等离子体团队张冠军教授在电气工程领域著名期刊IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation上发表了题为“Pulsed Flashover across a Solid Dielectric in Vacuum”的综述论文。该论文综述了脉冲功率领域中关于真空沿面闪络现象研究工作,将研究历程主要成果分阶段进行了总结,电极-介质界面、介质表面与外在因素三方面系统梳理了真空沿面闪络现象的主要影响因素,阐述了真空沿面闪络的主流机理,着重介绍了作者提出的考虑体内过程的闪络双层发展理论模型,总结了近年来在介质表面改性、高性能新型绝缘材料和优化的结缘结构等提高沿面耐电性能的探索,最后指出了当前研究所面临的问题,并给出了可能的解决方案。西安交通大学是该论文的第一作者和通讯作者单位。

真空沿面闪络的研究历程:国际上对真空沿面闪络现象的研究最早可追溯到20世纪50年代美国西屋(Westinghouse)研究实验室Gleichauf1951年发表论文首次讨论了固体介质沿面闪络问题,揭示了闪络现象的复杂性,从此拉开了研究真空沿面闪络现象的大幕。此后至今60多年间,国内外众多学者纷纷加入进行了持续的研究,主要在真空沿面闪络的现象与特性、影响因素、产生和发展机理、改善抑制技术等方面了大量工作该论文将闪络的研究历程粗略分为了三个时期,并总结了各时期闪络研究的特点和主要成就,如4所示。

4  真空沿面闪络研究的发展过程

同时该论文综合考虑了国内外迄今对真空沿面闪络问题开展的工作,认为可以用5来描述研究思路,反映出真空沿面闪络的现象、机理、影响因素和改善抑制等几方面研究之间的相互关系。

5  国内外关于真空沿面闪络问题的研究思路示意图

真空沿面闪络的影响因素:该论文认为真空沿面闪络现象的物理过程非常复杂,其影响因素众多,研究中大多通过影响因素的考察来深入认识闪络现象及其机理,并结合影响因素的控制来探索提高沿面耐电强度的方法。综合分析当前的相关研究,该论文认为影响真空沿面闪络的主要因素可以归纳为三大方面:电极-介质界面因素、介质表面因素和外在因素,如图6所示。

6  真空中复合绝缘系统沿面耐电特性的影响因素

真空沿面闪络的机理关于闪络的主流理论模型二次电子发射雪崩(SEEA)模型电子触发的极化松弛(ETPR)模型。目前,学者对SEEA模型更为认可,该模型强调从阴极三结合点处(Cathode Triple Junction, CTJ)处发射初始电子碰撞绝缘介质表面引起二次电子发射,继而导致电子崩,产生表面吸附气体解吸附、电离雪崩而引发贯通性击穿现象如图7所示。

7  传统SEEA模型示意图

作者课题组自1998年在国内较早开始真空沿面闪络现象的研究基于实验观测提出了考虑体内过程的闪络双层发展理论模型如图8所示该模型强调了电极接触方式与表面态(表面陷阱)对闪络起始阶段的重要影响,是对现有SEEA模型的发展

8  作者提出的闪络双层发展理论模型

近日,作者课题组也对真空沿面闪络问题进行了基于SEEA理论的PIC仿真和基于等离子体动力学的动力学仿真,模拟了闪络击穿阶段的等离子体放电发展过程,并阐释了放电模式转换理论。基于此建立了二次电子崩-等离子体双层模型首个真空沿面击穿动力学模型,进一步更新了SEEA理论如图9所示。关于该模型的细节,可参考我们前期的推送文章《真空沿面闪络击穿阶段的物理建模与理论研究》。

9  二次电子崩-等离子体双层模型 [3]

真空沿面绝缘的工程优化在实际工程应用中,多种方法被用于提高绝缘材料沿面闪络性能,包括绝缘介质的表面处理,如表面氟化;绝缘结构的优化设计,如表面刻槽、圆台型绝缘子、高梯度绝缘子(如图5所示)等。除此之外,新材料和新技术的发明与应用也极大提高了绝缘材料的闪络性能,如作者课题组研制的低熔点可加工陶瓷MCBeall研制的云母基玻璃陶瓷3D打印技术在介电梯度绝缘子研制中的应用(如图11所示)等,都有很大的工程应用价值。

  

(a) 表面型HGI                                                            (b) A-B-A绝缘子

10  高梯度绝缘子结构示意图

11  3D打印技术制作介电梯度圆台绝缘子流程示意图

结论展望作者认为,真空中固体绝缘的沿面闪络在本质上是一种发生在高电场下复合介质系统中的复杂的表面与界面物理现象,在研究中应抓住表面和界面的核心问题展开。研制一种高性能新型电介质材料采用新材料、新工艺和新型绝缘结构设计,进一步认识闪络的机理和影响因素、寻求提高沿面绝缘耐电强度的新方法,具有重要的科学意义和军事应用前景

该项工作得到了国家自然科学基金(No. U1766218, 11775175, 51521065)等项目的资助。

论文信息

Guan-Jun Zhang, Guo-Qiang Su, Bai-Peng Song and Hai-Bao Mu. Pulsed Flashover across a Solid Dielectric in Vacuum [J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2018, 25(6): 2321-2339.

论文链接

https://ieeexplore.ieee.org/document/8561339