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1、第18卷第6期强激光与粒子束Vol.18,No.62006年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun.,2006文章编号:1001-4322(2006)06-1053-04液体介质快脉冲电压下击穿特性研究*张晋琪1,2,蒋兴良2,陈志刚1(1.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900;2.重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室,重庆400044)摘要:设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统,研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的
2、关系,比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明:短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强;重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小,重复频率2kHz时击穿场强减小了约30%;电极头半径大小对击穿也有影响,半径R=5mm时,击穿电压最高;击穿时延随击穿场强减小而变长,在其他条件相同的情况下,测得击穿时延随机波动;蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好,变压器油次之。关键词:快脉冲;液体介质;击穿特性;脉冲功率技术中图分类号:TM89文献标识码:A液体绝缘介质通常使用在脉冲功率
3、技术中。然而,绝缘液体本身的化学复杂性和多样性,增加了超宽带快脉冲电压下研究介质击穿机理的难度。介质击穿尚无统一的击穿理论和公认的经验公式。对于同轴结构的超宽带高功率微波(UWBHPM)源,横向电场在很大程度上限定了器件的实体尺寸。然而,为系统小型化,最佳设计是外径和内径的比值最小化,但同时又要保证不发生电击穿,因而对绝缘的要求高。目前UWBHPW系统正朝大功率、高重复频率、短脉宽及轻量化方向发展,而这些指标的实现主要依赖于系统的绝缘特性。1实验设施1.1实验平台液体介质击穿试验装置及测量系统见图1,SOS脉冲源经DBD脉冲压缩后产生
4、前沿小于2.5ns,脉宽约8ns、电压约160kV的快脉冲,重复频率从单次至约2kHz可调。Fig.1Breakdowntestapparatusandmeasurementsystem图1击穿试验装置及测量系统分布式电容分压器安装在试验间隙前,经标定分压比为550,用它测量电压信号。自积分式罗氏线圈测量击穿电流,其频率响应可达635MHz,灵敏度0.158V/A,前沿小于1ns。试验装置设计阻抗与传输线和负载*收稿日期:2005-10-21;修订日期:2006-03-22基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:张晋琪(1979
5、-),女,硕士,现从事脉冲功率技术的研究及应用工作;zjq279@sina.com。1054强激光与粒子束第18卷阻抗一致,可以达到良好的匹配。间隙距离的测量采用了千分尺的原理(即利用螺纹和刻度盘相结合的方法),可以准确读出间距,精确至0.02mm。1.2实验方法快脉冲电压作用下液体绝缘材料击穿特性的研究,选用了变压器油、十二烷基苯和蓖麻油三种绝缘介质,设计了半径分别为1,3,5和7mm四种型号的可调隙半球形电极头,研究其对介质击穿的影响。通过调节SOS源输出脉冲的重复频率,观测介质击穿场强的变化。在每组实验后更换新电极头及绝缘油,并
6、将内导体在水平方向沿顺时针旋转至光滑侧面,以便先前击穿受损的部位离开新的有效电极区(内导体充当一个电极),保证实验数据真实有效。2实验所测波形2.1典型击穿电压电流波形分布式电容分压器测得的电压信号较光滑,而罗[1]氏线圈测得的电流信号叠加有干扰(见图2)。干扰主要来源于空间电磁波的辐射耦合,因线圈要感应磁场,介质击穿过程中产生的辐射信号便会进入测量线圈,这是无法完全屏蔽的。实验中以示波器指示的负脉冲电压波形的最小值点为击穿点,对应的电压值为击穿电压。击穿时延为击穿电压值从10%到击穿点的时间,统计时分前沿时间和平顶时间两部分。如击穿
7、发生在脉冲源输出波形Fig.2Voltageandcurrentbreakdownwaveform图2击穿电压电流波形的前沿,则称前沿击穿;如击穿发生在脉冲源输出波形的平顶,则称为平顶击穿。2.2从间隙击穿到未击穿的波形变化脉冲源输出脉冲的平顶持续时间约1ns;图3(b)所示的平顶时间为950ps。图3可见,当间距d逐渐增大到某值d(不同绝缘液体d值不同)时波形开始出现平顶,随后继续增大间隙波形经历从临界未击穿(半击00穿状态)到完全未击穿的变化。直观上看,表现在波形后沿逐渐变长。Fig.3Waveformvariations图3波形
8、的变化第6期张晋琪等:液体介质快脉冲下击穿特性研究10553实验结果和分析讨论3.1电极头半径的影响每组实验后观测电极表面受损情况,发现电极头半径R=1mm时,击穿点较集中,而且实验波形比较稳定。但击穿电压低(见图4,图
