多层均压结构可加工陶瓷真空沿面耐电特性的实验与仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学 作者:张冠军

  真空中沿固体绝缘材料表面的闪络电压通常远低于绝缘材料自身及相同长度真空间隙的击穿电压,这一现象极大地限制了高压真空设备的发展。将一种具有优良可加工性能和良好耐电性能的可加工陶瓷引入真空绝缘领域,结合工程实际中的绝缘堆结构,加工制作了多层均压结构;在纳秒脉冲电压下对不同多层均压结构的样品进行了真空沿面耐电性能的测试,并分析了不同均压结构对样品沿面电场和电子运动轨迹的影响。结果表明:多层均压结构样品的耐压强度要高于圆柱形样品,且其闪络场强随着绝缘层与金属层比例的增大有增大的趋势,径向电场随该比例的增大而减小;使用圆台形绝缘子组成多层均压绝缘结构时,电子难以与样品表面发生碰撞,闪络的稳定性得到了一定程度的提高。

  引言

  绝缘子作为起支撑和绝缘作用的重要电气设备,在X 射线管、高功率速调管、中子束二极管、脉冲功率开关及加速器等众多高功率器件和大型设备上得到广泛的应用,而真空中绝缘子表面的沿面闪络现象极大地限制了高压电真空设备的发展进程,其机制尚未完全被揭示,这极大地限制了脉冲功率装置的发展。因此研究绝缘材料的沿面闪络性能与机制,探索提高真空绝缘子闪络电压的方法和途径,对脉冲功率装置向小型化、紧凑化、高功率等方向的发展具有重要意义。

  目前国际上采用的提高沿面闪络电压的方法有在绝缘表面进行镀膜加工、磁场闪络抑制、不同的绝缘子角度、表面改性、电极处设置屏蔽及新型绝缘结构设计等。高梯度绝缘子(high gradient insulator,HGI)技术是美国Sandia 国家实验室的Eoin Gray 于20 世纪80 年代基于均压电极使表面电场分布更均匀的原理提出的,HGI 是由周期性的绝缘层和金属层排列而成的。目前HGI 的研究已经历了原理性试验,正从概念研究走向工程应用研究。HGI 具有较高的沿面耐电强度,现正被逐渐应用于大电流脉冲功率装置、光触发高压开关和介质壁加速器中。

  美国Livermore 国家实验室开展了大量的实验研究和理论分析,以交联聚苯乙烯(Rexolite)膜或聚酰亚胺(Cirlex)膜为绝缘层、不锈钢膜为金属层制作了薄膜型HGI,其沿面闪络电压可达到传统绝缘子的4 倍,窄脉冲下可达到1000kV/cm 的耐压强度。以色列Leopold 等人[13]对这种结构进行了电场及电荷仿真,并采用铁镍钴合金(Kovar)片(厚度为M)和氧化铝片(厚度为I)多层叠片焊接制作了HGI,保证I/M 4mm 不变,而I 和M 可变,实验发现,当I/M3 时,HGI 的耐电强度高于同样高度的圆柱形绝缘子,而当I/M3 时,HGI 耐电强度要低。

  国内一些机构也对HGI 进行了理论和实验研究。中科院的任成燕、严萍等人进行了电场分析,并以聚酰亚胺膜为介质层、黄铜为金属层及聚全氟乙丙烯膜为介质层、不锈钢膜为金属层制作了两种方案的微堆层绝缘子试样,老练后其闪络场强可达190kV/cm;国防科技大学屈立辉等对高梯度绝缘结构进行了初步的理论研究。

  本文针对课题组研制的一种可加工陶瓷(machinable ceramic,MC)进行了多层均压结构的实验研究。MC 在一定程度上兼顾了传统氧化铝陶瓷和聚合物材料的优点并克服了其缺点,表面耐电性能明显优于传统的氧化铝陶瓷,适合用于真空绝缘。在纳秒脉冲电压下对不同均压结构、绝缘层与金属层不同比例(I/M)、不同绝缘子角度的多层均压MC 样品进行了真空沿面耐电特性的研究,并进行了上述不同结构下的电场和电子运动轨迹的仿真,进而分析其对沿面闪络电压的影响。

  1、实验设计

  1.1、可加工陶瓷试样制备及可加工性能

  试验所使用的试样制备过程如下:采用高温加料法,将石英坩埚随炉升温至1100~1200℃后加料,并升温至熔炼温度(1250~1300℃),经1~2h保温后搅拌,再保温0.5~1h 后浇注在经预热的铸铁模具上浇注成型,成型后迅速放入另一500℃的炉中进行退火处理,最后对基础玻璃进行晶化处理,晶化温度为700℃,晶化时间为1h,得到圆柱形陶瓷试样。在晶化过程中要控制升温速度,防止试品在晶化过程中开裂,并确保所有试样具有优良的可加工性能。

  MC 良好的可加工性能在于它独特的晶体相结构,MC 表面经扫描电子显微镜放大5000 倍后的形貌,如图1 所示。MC 内部存在很多微小的氟金云母晶体,这些氟金云母晶体之间相互连接,而不同的云母晶体层面之间的结合力十分薄弱,在外应力作用时,裂纹很容易通过脆弱面进行发展,而云母晶体可以控制裂纹的发展方向,阻止裂纹的自由扩展。因此,MC 内部氟金云母晶体的搭接结构是其可加工性能的本质所在。

可加工陶瓷微观结构图

图1 可加工陶瓷微观结构图

  HGI 的制作工艺要求很高,在制作时要求用硅酸铝以及镍铬合金电阻丝材料制作的圆柱形加热器对绝缘子进行加热处理,同时施加一定的压力,使绝缘子与金属紧密结合,并且对绝缘材料表面进行抛光处理,尽量避免瑕疵的存在。由于在制作过程中需要进行加热处理,所以一些不耐热的高分子材料不适宜用来制作多层均压绝缘材料。本文多层均压MC 样品的制作和Leopold 基本相同,采用较厚的MC 绝缘层和不锈钢金属层。通过数控机床加工制备了直径10mm,厚度不等的MC 试品圆片和直径为10mm,厚度不等的不锈钢圆片,并直接依次叠放成多层均压结构。样品示意图如图2 所示。

多层均压可加工陶瓷实验样品

图2 多层均压可加工陶瓷实验样品

  1.2、实验装置与实验程序

  本文在纳秒脉冲电压下进行多层均压MC的真空沿面耐电特性测试的实验系统示意图如图3 所示,整个系统由高压纳秒脉冲源、真空系统、试样与电极系统和测量系统组成。

 真空沿面闪络试验系统示意图

图3 真空沿面闪络试验系统示意图

  本文两电极之间施加的电压为纳秒脉冲电压(45/450ns),沿面闪络实验电极结构为平板结构,如图5 所示。不锈钢电极固定在聚四氟乙烯支架上,直径为100mm,电极间距为试品的厚度,通过聚四氟乙烯支架将试品紧压在两电极之间,以保证尽可能减小试品与电极表面之间的气隙。图4 所示的平板电极装置放置于气压小于0.5mPa 的真空腔内进行实验。施加在试品上的电压和电流信号分别由电阻分压器(分压比为11001)和罗氏线圈获得,在实际测试中,低压臂的电压信号通过了一个100 倍的衰减器后进入示波器。

电极–试品结构图

图4 电极–试品结构图

  实验前对样品依次使用95%丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗,然后在100℃温度下持续烘干2h,以保证试品表面的清洁。试品的沿面闪络实验采用逐级加压的方法,以Marx 发生器的充电电压为标准,从4kV 开始,以0.5kV 为升压单位,逐步提高输出电压,每个电压等级下连续触发3 次,在某个电压下发生第一次沿面闪络,称为首次闪络电压Ufb,如果在第一次闪络后没有发生闪络,则继续提高电压,直到试品在3 次触发下全部击穿,此时称为完全闪络电压Uco,然后逐步降低输出电压,直到试品3 次触发下都不发生闪络现象,此时的电压为试样的残余耐受电压Uho。本文中每种样品都至少进行3 次沿面闪络实验以减小实验数据的分散性,以3 次闪络电压的平均值作为每一个样品的耐电特性。

  4、结论

  可加工陶瓷具有优良的可加工性能,本文制备了多层均压可加工陶瓷样品结构,在纳秒脉冲电压下进行了真空沿面耐电特性的测试,同时对多层均压结构的电场分布和电子运动轨迹进行了初步的仿真,发现实验结果与仿真具有较好的一致性。

  1)多层均压结构可加工陶瓷样品的耐压强度要高于圆柱形样品的耐压强度。

  2)多层均压结构可加工陶瓷样品的闪络场强随着绝缘层与金属层比例(I/M)的增大有增大的趋势,径向电场变化规律相反。

  3)使用圆台形绝缘子组成多层均压绝缘结构时,电子难以与样品表面发生碰撞,实验发现首次闪络场强和残余耐受场强均有大幅度提高,三个闪络场强参数更为接近,闪络的稳定性得到了一定程度的提高。

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