西安交通大学高压放电与等离子体张冠军团队在(2)
电极-介质界面因素、介质表面因素和外在因素,如图6所示。
图6 真空中复合绝缘系统沿面耐电特性的影响因素
真空沿面闪络的机理:关于闪络的主流理论模型有二次电子发射雪崩(SEEA)模型和电子触发的极化松弛(ETPR)模型。目前,学者对SEEA模型更为认可,该模型强调从阴极三结合点处(Cathode Triple Junction, CTJ)处发射的初始电子碰撞绝缘介质表面引起二次电子发射,继而导致电子崩,产生表面吸附气体解吸附、电离雪崩而引发贯通性击穿现象,如图7所示。
图7 传统SEEA模型示意图
作者课题组自1998年在国内较早开始真空沿面闪络现象的研究,基于实验观测提出了考虑体内过程的闪络双层发展理论模型,如图8所示。该模型强调了电极接触方式与表面态(表面陷阱)对闪络起始阶段的重要影响,是对现有SEEA模型的发展。
图8 作者提出的闪络双层发展理论模型
近日,作者课题组也对真空沿面闪络问题进行了基于SEEA理论的PIC仿真和基于等离子体动力学的动力学仿真,模拟了闪络击穿阶段的等离子体放电发展过程,并阐释了放电模式转换理论。基于此建立了二次电子崩-等离子体双层模型,是首个真空沿面击穿动力学模型,进一步更新了SEEA理论,如图9所示。关于该模型的细节,可参考我们前期的推送文章《真空沿面闪络击穿阶段的物理建模与理论研究》。
图9 二次电子崩-等离子体双层模型
真空沿面绝缘的工程优化:在实际工程应用中,多种方法被用于提高绝缘材料沿面闪络性能,包括绝缘介质的表面处理,如表面氟化;绝缘结构的优化设计,如表面刻槽、圆台型绝缘子、高梯度绝缘子(如图5所示)等。除此之外,新材料和新技术的发明与应用也极大提高了绝缘材料的闪络性能,如作者课题组研制的低熔点可加工陶瓷MC、Beall研制的云母基玻璃陶瓷和3D打印技术在介电梯度绝缘子研制中的应用(如图11所示)等,都有很大的工程应用价值。
(a) 表面型HGI (b) A-B-A型绝缘子
图10 高梯度绝缘子结构示意图
图11 3D打印技术制作介电梯度圆台绝缘子流程示意图
结论与展望:作者认为,真空中固体绝缘的沿面闪络在本质上是一种发生在高电场下复合介质系统中的复杂的表面与界面物理现象,在研究中应抓住表面和界面的核心问题展开。研制一种高性能新型电介质材料,采用新材料、新工艺和新型绝缘结构设计,进一步认识闪络的机理和影响因素、寻求提高沿面绝缘耐电强度的新方法,具有重要的科学意义和军事应用前景。
该项工作得到了国家自然科学基金(No. U, , )等项目的资助。
文章来源:《高压物理学报》 网址: http://www.gywlxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1110/350.html
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