绝缘材料高压气体沿面闪络特性研究

孙 旭， 张喜波， 刘 胜， 王利民， 王俊杰， 范红艳

(高功率微波技术实验室， 西安 710024； 西北核技术研究所， 西安 710024)

随着脉冲功率技术的发展，驱动源的小型化对绝缘材料提出了更高的要求。绝缘材料的性能在一定程度上决定了驱动源的大小。材料的绝缘性能与施加的脉冲时间是相关的，通常承受的电压时间越长，耐受的电压值也越低。Tesla型脉冲功率源可以产生吉瓦到数十吉瓦的高功率电子束，它的充电时间也从几十微秒到百微秒[1]。高功率的Tesla型脉冲源通常使用高压气体火花开关作为放电开关[2-3]，气体开关与脉冲形成线之间的绝缘板在固-气界面易发生沿面闪络。近年来，研究人员对气体中绝缘子沿面闪络现象开展了相关研究[4-5]，认为它的发生过程与气体放电相同，可以用经典流注机理予以解释：场致电子发射提供的种子电子沿电场方向迁移，与表面气体层碰撞电离形成电子崩；电子崩在光电子作用下进一步发展成为流注放电；流注放电(或转化成先导放电)导致绝缘闪络。另一方面，气体沿面闪络相对气体放电的发展过程更为复杂：绝缘材料表面电荷积累导致电场会发生严重畸变；带电质点在垂直分量的电场作用下轰击绝缘材料表面会产生大量的二次电子，使得放电更容易产生和向前发展。文献[6-7]研究了通过在绝缘子表面刻槽来提高真空中的沿面闪络电压的问题，文献[8]研究了百纳秒脉冲下绝缘材料沿面闪络特性，而在微秒脉冲下高压气体环境中通过刻槽来提升绝缘材料沿面闪络电压的研究相对较少。本文对几十微秒脉冲作用下高压氮气中材料表面形貌对闪络电压的影响展开研究。

1 绝缘测试平台

为研究高压气体中绝缘材料表面形貌对沿面闪络的影响，研制了一个绝缘测试平台，工作原理如图1所示，初级储能电容C1为4.3 nF；充电电感L为0.5 H；R为回路的总阻抗，包括电感电阻和火花通道电阻等，其值约为几kΩ；T为同轴线，其电容值C2≈200 pF。高压直流电源(最高输出电压350 kV)对高压电容器C1进行充电，电压达到一定幅值后，高压气体火花开关导通，C1通过电感L对同轴线T进行谐振充电。装置图片如图2所示。

图1 高电压平台电路原理Fig.1 Circuit diagram of high voltage platform

1-HV input; 2-Primary capacitor and charging inductor;3-Gas spark switch; 4-Secondary capacitor; 5-Sample cavity.图2 高电压平台实物Fig.2 High-voltage platform

使用Pspice软件对电路进行仿真，如图3所示，仿真结果如图4所示，高压电源电压为100 kV时的输出电压峰值可达180 kV，理论上的谐振倍压为1.8。同样电源电压下实验平台实际输出波形如5所示，此时输出电压的峰值约160 kV，谐振倍压1.6，比理论值稍低。

图3 PSpice仿真电路Fig.3 PSpice simulation circuit

图4 PSpice仿真结果Fig.4 Simulation result using PSpice

图5 测试样品未闪络时的电压波形Fig.5 Voltage waveform when flashover not occur

图5是测试样品不发生闪络时的波形，可以看到：气体火花开关闭合后，电压有一个下降的台阶，而后开始阻尼振荡；输出为负脉冲，第一个峰值到达的时间约30 μs。

测试样品发生闪络时的电压波形，如图6所示。电压达到第一个峰值前发生了闪络，如图6(a)所示；在第二个峰值时发生了闪络，如图6(b)所示。实验中闪络电压值的判断以图6(a)为准。气体火花开关闭合后，电压的突变会导致波形出现台阶。

(a) First voltage peak

(b) Second voltage peak

2 平板结构尼龙和有机玻璃闪络实验

在该绝缘测试平台上，对平板结构的MC尼龙(以下简称“MC尼龙”)和有机玻璃开展了闪络实验，此时实验腔的氮气气压为0.4 MPa。图7为电极夹持样品的方式，阴极半径为62 mm，阳极半径为104 mm。阴极倒角半径R为10 mm，使用电磁仿真软件计算阴极倒角处的场增强因子为2.5。

图7 样品与电极结构示意图Fig.7 Structure of sample and electrodes

所研究MC尼龙和有机玻璃各使用5个样品开展实验，每个样品每次实验记录20次闪络数据。图8所示为MC尼龙和有机玻璃表面闪络痕迹，可以看到闪络通道分散在圆周周围，有机玻璃表面的闪络痕迹比尼龙明显，这是由两者之间熔点的差异引起的。使用韦伯统计分析工具[9]处理实验数据,图9为使用韦伯分布将上述两种绝缘材料沿面闪络电压拟合出直线，有机玻璃的函数为y=49.85x-624.2，尼龙的函数为y=15.57x-192.3，其中x=lnV为闪络电压V的自然对数值，y=lnK为闪络发生概率K的自然对数。

(a) Nylon

(b) PMMA

根据所得拟合的韦伯分布函数方程，可计算闪络发生概率为0.1%时(K=0.1，y=6.907)有机玻璃的闪络电压值为238 kV，此时有机玻璃沿面最大电场强度为64 kV·cm-1，阴极座最大电场强度为185 kV·cm-1；尼龙的闪络电压值为148 kV，此时尼龙沿面最大电场强度为39 kV·cm-1，阴极座最大电场强度为150 kV·cm-1；有机玻璃的沿面最大电场强度是尼龙的1.64倍。造成两者差异的一个原因是相对介电常数不同，介质的相对介电常数越高，造成固-气界面的场增强越强。所用MC尼龙的相对介电常数为4.5，所用有机玻璃的相对介电常数为3.3，两者之比为1.36，与闪络发生概率为0.1%时，有机玻璃与尼龙沿面最大电场强度值之比1.64比较接近。

图9 两种绝缘材料沿面闪络电压的韦伯分布拟合Fig.9 Weibull distribution fitting of two insulators’ flashover voltage

3 不同刻槽结构的有机玻璃闪络实验

设计了图10(a)和图10(b)两种刻槽有机玻璃进行实验，每种结构采用不同样片实验5次。图10(a)所刻槽为底部角度130°的三角形结构，其对应的边长为8 mm；图10(b)所刻槽为上凸下凹均为半径4 mm的半圆形结构。使用绝缘测试平台对两种结构的有机玻璃样品进行了实验，此时实验腔的氮气气压为0.4 MPa。

(a) Triangular

(b) Semicircular

图10两种不同刻槽结构有机玻璃局部示意图
Fig.10SchematicoftwodifferentgroovedPMMAs

图11(a)和图11(b)对应为两种刻槽结构有机玻璃沿面闪络的痕迹。从图11(a)可以看到三角形刻槽的闪络痕迹基本沿着所刻槽的表面；从图11(b)可以看到半圆形刻槽的闪络痕迹主要在上凸半圆上,说明半圆形刻槽对沿面放电通道起到一定抑制作用，使得刻槽间隙的放电不再是沿面放电，而是气体放电。电场方向与所刻槽之间存在夹角，垂直材料表面的电场分量阻碍了电子运动。

(a) Triangular

(b) Semicircular

图11两种不同刻槽结构有机玻璃沿面闪络痕迹图
Fig.11FlashovertracesoftwodifferentgroovedPMMA

图12为平板、三角刻槽和半圆刻槽3种结构有机玻璃的闪络电压幅值大小对比。图中记录了1个样片20次发生闪络时的电压数据，对这些电压数据从大到小进行了排列。从图12可以看到，3种结构有机玻璃闪络电压平均值大小关系为：半圆刻槽>三角刻槽>平板。5次实验的结果基本吻合。

图12 平板和刻槽结构有机玻璃闪络电压对比Fig.12 Flashover voltage of plate and grooved PMMA

图13为将图12中沿面闪络电压数据使用韦伯分布进行拟合，三角形刻槽的函数为y=14.43x-182.6，半圆形刻槽的函数为y=24.52x-312.2。所拟合的直线外延与横坐标的交点反映闪络电压的数值大小。

图13 3种不同表面形貌有机玻璃韦伯分布拟合直线的对比Fig.13 Weibull distribution Fitting line of three PMMAs with different surface topography

从图13可以看到3条直线与横坐标的交点值大小关系为：半圆刻槽>平板>三角刻槽，三角形刻槽的沿面闪络电压在实验中较平板有提升，但是闪络发生概率为0.1%时的电压低于平板结构。根据函数计算闪络发生概率为0.1%时的闪络电压值，三角形刻槽闪络电压为194 kV，此时沿面最大电场强度为52 kV·cm-1，阴极座最大电场强度为151 kV·cm-1；半圆形刻槽闪络电压为255 kV，此时沿面最大电场强度为69 kV·cm-1，阴极座最大电场强度为198 kV·cm-1。

4 结论

本文利用谐振电路原理研制了1个350 kV级的高压绝缘测试平台，使用该平台对绝缘子在高压气体环境下的沿面闪络问题展开了实验研究。研究发现，平板结构的有机玻璃闪络时的沿面最大电场强度比平板尼龙高，原因之一是它们的相对介电常数不同，介电常数越高造成固-气界面的场增强越强。三角形刻槽对有机玻璃沿面闪络没有改善，半圆形刻槽则改善效果比较明显。半圆形刻槽对沿面闪络的改善可以从以下3个方面解释：沿面闪络的路径加长；电场方向与绝缘材料表面存在夹角，阻碍了电子沿表面的运行；槽内的表面电荷积累产生反向电场抑制电子沿电场方向的运动。

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