纳秒脉冲下真空沿面放电的二次电子发射机制研究

发布时间：2019-03-16 07:30

【摘要】：真空绝缘性能优异,可作为填充介质,需要与起支撑隔绝作用的固体绝缘子配合使用。但人们发现这种真空与固体并联的绝缘系统的耐压强度远小于真空和固体各自的耐压强度,并以沿面闪络的形式出现绝缘击穿。在真空和固体界面出现了不同于传统绝缘击穿的复杂过程,因此真空沿面放电具有重要的理论研究意义。同时,由于一般真空绝缘应用的元件设备结构复杂,价格昂贵,相当一部分属于为高精尖领域的核心设备,出现闪络故障后会带来巨大的经济损失和附署效应,严重影响科研探索和社会生活的众多方面。工程中真空绝缘子多承受短至纳秒级的脉冲电压作用。目前学界对纳秒脉冲作用下的真空绝缘子沿面闪络机理解释倾向于二次电子发射机制,但缺乏试验证实和发展机制研究。对于在纳秒脉冲下的表面电荷积聚现象的相关研究不足,表面电荷的积聚特性和对于闪络发展过程的影响机制尚不明确。本文针对工程实际中普遍应用的45。真空绝缘子在纳秒脉冲下进行真空沿面闪络试验研究,搭建了纳秒脉冲下真空沿面放电试验平台。通过脉冲功率技术、纳秒脉冲级快传感技术的研究,设计开发了纳秒级(上升时间lOns、脉宽100ns)脉冲电压发生器、纳秒脉冲电压测量传感器,研制了高真空高精度曲面固体表面电荷三维测量系统。电荷测量仪采用三维操控机构控制静电容探头沿绝缘子曲面侧表面进行径向精度0.1mm的平行移动,圆周精度1。的转动运动,实现对绝缘子曲面表面的全径向全角度测量,探头的电荷分辨率高达0.17094pC/(mm2·mV),其空间分辨率为1.053mm2。通过试验和理论分析,获得了45。圆台绝缘子的表面电荷三维分布特性,得到了表面电荷积聚对真空绝缘子表面电场的影响规律。研究中发现,在正极性脉冲电压作用下表面电荷为正,在负极性脉冲电压作用下表面电荷为负,表面电荷沿径向的分布规律是靠近上电极表面电荷密度大,并呈现向下电极递减的趋势,表面电荷沿圆周基本呈均匀分布。脉冲电压幅值的增大和次数的增加会导致表面电荷积聚更加明显。负极性脉冲电压作用下的表面电荷产生来自阴极三结合点的电子发射,正极性脉冲电压作用下的表面电荷产生可能来自阳极处的空穴发射。研究中发现,表面电荷积聚的影响主要表现为对表面电场的畸变和将高场强区向弱侧推进的作用,本文系统中由表面电荷积聚所致的高场强区前移接近绝缘子沿面距离的5%。对缺陷试品进行了表面电荷测量和闪络试验,发现表面电荷的积聚直接影响真空绝缘子的耐压强度,在本文试验条件下,由表面电荷积聚所致的闪络电压与无表面电荷积聚的试品相比下降最大可达16%。通过试验研究,获得了二次电子发射系数与表面电荷的关系,以及二次电子发射系数与闪络电压关系,为纳秒脉冲下真空沿面放电的二次电子发射机制提供了试验证据支持。获得了交联聚苯乙烯、有机玻璃、聚四氟乙烯和氧化铝陶瓷4种不同材料的二次电子发射系数关系,发现交联聚苯乙烯材料的二次电子发射系数最小,有机玻璃和聚四氟乙烯的二次电子发射系数稍大,氧化铝陶瓷的二次电子发射系数远大于3种有机材料,入射能量-二次电子发射系数曲线的积分差别可达1.9倍。研究中发现在相同条件下真空绝缘子的表面电荷积聚程度与材料的二次电子发射系数成正相关,即二次电子发射系数大的材料的表面电荷积聚更加严重,表面电荷密度差异可达5倍,由此所致的闪络电压差异可达20%。通过试验研究和理论分析,提出了在纳秒脉冲下45。圆台真空绝缘子沿面放电的发展过程和二次电子发射的作用机制。研究认为初始电子撞击绝缘子表面产生二次电子发射,二次电子沿绝缘表面向阳极运动,被绝缘表面俘获形成负极性的表面电荷积聚。表面电荷的存在畸变了电场,将高场强区域向前推进,增强了弱侧的电场强度,引发和加剧了新的二次电子发射过程。此过程循环往复,在二次电子发射和表面电荷的作用下,电子数量倍增并不断向阳极移动,高场强区向前推进,直至最终绝缘沿面闪络。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分类号】：O46

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本文编号：2441070