低温真空下聚酰亚胺直流沿面闪络特性及机理研究
发布时间：2020-07-04 17:55
【摘要】：大型低温超导装置中的绝缘结构对整个装置的安全稳定运行起着重要作用。绝缘失效是最可能引发超导磁体故障的问题。低温超导装置中绝缘结构面临的运行条件复杂,包括液氦温区的极低温环境和故障态下的高电压和各种等级的真空环境等,对绝缘材料的电气性能要求较高。当前绝缘系统多以高真空为背景进行设计,然而,考虑到超导装置运行过程中可能出现局部低真空环境而降低绝缘系统的电压耐受水平,需要对电介质材料在低温以及不同真空度环境下的电气性能开展进一步研究。本文以常用的低温绝缘材料聚酰亚胺为对象,在低温真空环境下进行闪络特性研究,并探究了低温对不同真空度下聚酰亚胺闪络特性的影响机理,获得的主要成果如下:搭建了低温真空环境参数控制平台,实现了 300～20 K范围内的温度调控,以及常温下10-5～105 Pa范围内的气压调控,减弱了制冷剂对电气测试的影响,并且适用于多种电介质的各种电气性能测试。基于该平台,研究了聚酰亚胺在300～20 K温度范围,10-3～103 Pa氦气气压范围内的直流沿面闪络特性。试验结果表明,真空度是影响聚酰亚胺沿面闪络电压的主要因素,在高、中、低真空度下闪络特性随温度变化规律完全不同,不同真空区域之间的闪络电压存在明显的转折区,转折区对应的气体分子密度基本不随温度变化。在高真空范围内的闪络电压相对较高,同一温度下的闪络电压基本不受气体分子密度影响,同一气体分子密度下的闪络电压随温度降低呈整体下降趋势;中真空范围内,同一温度下的闪络电压随着气体分子密度上升而显著下降,同一气体分子密度下的闪络电压随温度下降呈现先上升后下降的趋势;低真空区域中的闪络电压最低,同一温度下的闪络电压随气体分子密度变化趋势类似帕邢曲线形式,同一气体分子密度下的闪络电压随温度降低出现先下降后上升再下降的趋势,闪络电压最高点出现在约100 K,较低点出现在200 K与20 K附近。研究了低真空环境下的氦气击穿特性对聚酰亚胺直流沿面闪络性能的影响,在300～20 K温度范围、1～105 Pa气压范围内开展了氦气在短间隙匀强场下的直流击穿特性试验研究,并从低温下放电光谱特性、气体有效电离系数以及阴极发射特性的角度揭示了温度对氦气击穿的影响机理。研究发现,氦气气体分子密度是其击穿电压的主要影响因素,各温度下的放电符合帕邢放电规律,且帕邢最低点对应的气体分子密度不随温度改变;在同一气体分子密度条件下,氦气击穿电压随温度降低出现了非单调的变化趋势:在300～100K降温过程中,杂质气体解吸附并通过彭宁效应促进了氦气电离,而阴极发射受低温抑制,在两者共同作用下造成了击穿电压随温度先下降后上升的趋势;在100～20K降温过程中,氦气受阴极表面的吸附作用增强,降低了阴极功函数并增强了二次电子发射系数,导致击穿电压随温度降低而下降。对比低温低真空下聚酰亚胺沿面闪络特性和氦气击穿特性,发现低温对两者的影响机制相似。研究电荷积聚对高真空条件下的聚酰亚胺低温直流沿面闪络特性的影响,揭示低温对聚酰亚胺高真空直流沿面闪络特性的影响机制。通过电声脉冲-电导电流联合测试、低温高场电导测试以及热刺激电流测试等方法,研究了低温下聚酰亚胺材料的电荷注入特性,陷阱特性以及空间电荷输运特性。研究结果表明,温度低于273 K时,电荷注入量随温度下降迅速减少至一定值后趋于稳定。对于低温下的体内电荷输运,当电场超过125 kV/mm时聚酰亚胺中陷阱电荷才可能发生明显迁移,在场强低于125 kV/mm时电荷被聚酿亚胺表层陷阱迅速捕获,陷阱电荷的迁移率随着温度下降而持续降低。注入电荷和陷阱电荷迁移能力的差异导致了电介质表层的电荷积聚,且这种差异随温度的变化造成电荷积聚量随温度的降低先下降后上升。通过直流预压试验验证了聚酰亚胺表层电荷积聚对闪络电压的影响规律,对比低温高真空下聚酰亚胺的直流沿面闪络特性,认为低温对电荷积聚特性的影响是造成聚酰亚胺闪络电压变化的主要机制。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM21
【图文】：
华北电力大学博士学位论文逡逑限，而且沿面击穿过程也受制冷剂本身的特性，以及制冷剂中气泡等杂质响。因此，这种降温方式一般考虑到实际应用中存在的制冷剂浸泡的情况，逡逑不适用其它工况下放电机理的研究。逡逑也有许多学者采用制冷剂挥发的方式进行降温。例如Ｒ．邋ｊ．邋Ｍｅａｔｓ等人设试验装置，放电电极悬浮于液氦之上，并利用铜网包围测试区域，使电极的氦气分布均匀。在研[偟推迕芏鹊姆诺缣匦允保ü尤纫汉ぃ诳囟鹊耐毙纬傻兔芏群て肪场＠酶檬匝樽爸媒辛隋澹矗玻浚保板澹宋露确段А㈠义希保浚卞澹停校崞狗段诘暮て绷骰鞔┦匝檠芯俊＠嗨平峁沟淖爸没拱ǎ椋樱悖瑁郏担保莺停停澹
本文编号：2741394
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM21
【图文】：
华北电力大学博士学位论文逡逑限，而且沿面击穿过程也受制冷剂本身的特性，以及制冷剂中气泡等杂质响。因此，这种降温方式一般考虑到实际应用中存在的制冷剂浸泡的情况，逡逑不适用其它工况下放电机理的研究。逡逑也有许多学者采用制冷剂挥发的方式进行降温。例如Ｒ．邋ｊ．邋Ｍｅａｔｓ等人设试验装置，放电电极悬浮于液氦之上，并利用铜网包围测试区域，使电极的氦气分布均匀。在研[偟推迕芏鹊姆诺缣匦允保ü尤纫汉ぃ诳囟鹊耐毙纬傻兔芏群て肪场＠酶檬匝樽爸媒辛隋澹矗玻浚保板澹宋露确段А㈠义希保浚卞澹停校崞狗段诘暮て绷骰鞔┦匝檠芯俊＠嗨平峁沟淖爸没拱ǎ椋樱悖瑁郏担保莺停停澹
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