電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-脈沖電場作用下液體擊穿現(xiàn)象研究進(jìn)展(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　脈沖電場作用下液體擊穿現(xiàn)象研究進(jìn)展</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其

2、自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　脈沖電場作用下液體擊穿現(xiàn)象研究進(jìn)展</p>

3、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　脈沖電場下液體絕緣介質(zhì)擊穿特性是脈沖功率技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，了解脈沖電場下液體介質(zhì)擊穿特性影響因素及液體擊穿特性參數(shù)理論，目的是為高功率脈沖源的小型化設(shè)計(jì)提供絕緣依據(jù)。高功率超寬帶脈沖的產(chǎn)生、變換及傳輸中大量使用液體絕緣介質(zhì)，其性能的好壞是高功率系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響因素之一。目前國內(nèi)外對ns級(jí)以及脈沖電場下液體介質(zhì)絕緣特性

4、尚缺乏充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法依據(jù)現(xiàn)有的資料構(gòu)建該時(shí)間量級(jí)下液體介質(zhì)擊穿機(jī)理理論框架，且擊穿電壓的確定尚無公認(rèn)的公式。</p><p>　　液體、固體具有較高的介電強(qiáng)度，用于液體或固體絕緣材料的高壓系統(tǒng)的工作電場強(qiáng)度比氣體絕緣材料更高。液體比固體有更多的優(yōu)勢，因?yàn)橐后w能夠循環(huán)利用，特別適合應(yīng)用到復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)上。在這些液體中，水和變壓器油被普遍應(yīng)用于高壓脈沖功率系統(tǒng)中。</p><p>　　本

5、文給出了脈沖電場作用下液體介質(zhì)擊穿的影響因素及液體介質(zhì)擊穿的經(jīng)典公式，液體介質(zhì)擊穿機(jī)理的最新進(jìn)展及成果：電子理論、氣泡理論和雜質(zhì)擊穿等。分析液體介質(zhì)擊穿機(jī)理，歸納出液體介質(zhì)的擊穿過程及擊穿模型。通過研究人對液體介質(zhì)的擊穿特性的歸納有助于揭示液體介質(zhì)擊穿的本質(zhì)特性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：短脈沖；液體絕緣介質(zhì)；擊穿特性；擊穿機(jī)理</p><p>　　Progress of liquid

6、 dielectric breakdown under pulsed electric field</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The short-pulsed liquid dielectric breakdown characteristic is the basis of the application of pul

7、se-power technique. The influencing factors on breakdown characteristic and the theoretical prediction of breakdown characteristic parameters in liquid dielectrics is presented in order to provide some useful reference f

8、or the miniaturized design of HPW sources. Insulating liquids are largely used in the generation, variation and transmission of UWB HPM. In high-power system, the dielectric insultin</p><p>　　The operating e

9、lectric stresses in HV systems employing liquid or solid state insulation can be significantly higher than in gas insulated systems on account of their greater dielectric strength. Liquids have further advantages over so

10、lids in that they can be circulated and are particularly suited to applications involving complex geometries. Among the liquids, water and oils are most commonly used for insulation in high voltage pulsed systems.</p&

11、gt;<p>　　The article summarizes the new progresses and the relevant fruits about the study of breakdown mechanism in liquid dielectric. The breakdown mechanism comes from different theories such as electron theory

12、, cavitations theory and demerits of its own. Investigating the effect of the radius of hemisphere electrode on breakdown voltage of transformer oil, the breakdown performance of three typical liquid dielectrics under DC

13、, single pulse and repetitive burst conditions, the effect of pulse duration</p><p>　　Keywords：short-pulsed；liquid dielectrics；breakdown characteristic；breakdown mechanism</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行

14、不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 論文研究的背景和意義1&l

15、t;/p><p>　　1.2 脈沖電場下液體介質(zhì)擊穿的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 短脈沖下液體介質(zhì)影響因素研究進(jìn)展2</p><p>　　1.2.2 短脈沖擊穿特性參數(shù)的研究進(jìn)展7</p><p>　　1.3 本文研究內(nèi)容8</p><p>　　第2章 液體介質(zhì)擊穿的基本機(jī)理10</p>

16、;<p>　　2.1 液體介質(zhì)擊穿機(jī)理10</p><p>　　2.1.1 電子理論10</p><p>　　2.1.2 氣泡放電12</p><p>　　2.1.3 雜質(zhì)擊穿13</p><p>　　2.2 快脈沖介質(zhì)擊穿發(fā)展過程13</p><p>　　2.2.1 集結(jié)點(diǎn)的形成和低密度區(qū)的生

17、長14</p><p>　　2.2.2 電子碰撞電離及電離前方的蔓延14</p><p>　　2.2.3 集結(jié)準(zhǔn)則和擊穿15</p><p>　　2.3 快脈沖介質(zhì)擊穿模型15</p><p>　　2.4 本章小結(jié)16</p><p>　　第3章 脈沖電場作用下不同液體的擊穿18</p>&l

18、t;p>　　3.1 壓力水介質(zhì)的高壓脈沖擊穿方法19</p><p>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)方法概述19</p><p>　　3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論概述20</p><p>　　3.2 變壓器油的重頻納秒高壓脈沖擊穿方法22</p><p>　　3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法概述22</p><p>　　3.2.2

19、實(shí)驗(yàn)結(jié)論概述23</p><p>　　3.3 其他液體的高壓脈沖擊穿方法25</p><p>　　3.3.1 實(shí)驗(yàn)方法概述26</p><p>　　3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果概述26</p><p>　　3.3 擊穿時(shí)延小于5ns的擊穿經(jīng)驗(yàn)公式30</p><p>　　3.4 本章小結(jié)31</p>

20、<p><b>　　結(jié)論32</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附錄39</b></p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打

21、印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　論文研究的背景和意義</p><p>　　隨著核物理技術(shù)、電子束、加速器、激光、放電理論和等離子體技術(shù)等的研究和日益廣泛的應(yīng)用，脈沖功率技術(shù)得到重視和迅速的發(fā)展，并逐漸成為

22、一門獨(dú)立學(xué)科的新興技術(shù)領(lǐng)域。脈沖功率技術(shù)具有這樣的特點(diǎn)：它將儲(chǔ)存的能量以電能的形式，用單脈沖或重復(fù)頻率的短脈沖方式加到負(fù)載上[1]。絕緣問題是該技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、輕量化和小型化的重要因素。</p><p>　　對于同軸結(jié)構(gòu)的超寬帶高功率微波（UWB HPM）源，橫向電場在很大程度了上限定了器件的實(shí)體尺寸。然而，為系統(tǒng)小型化，最佳設(shè)計(jì)是外徑和內(nèi)徑的比值最小化，但同時(shí)又要保證不發(fā)生電擊穿，因而對絕

23、緣的要求高。目前UWB HPM系統(tǒng)功率正朝大功率、高重復(fù)頻率、短脈寬及輕量化方向發(fā)展，而這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于系統(tǒng)的絕緣特性[2]。</p><p>　　液體介質(zhì)作為絕緣材料以其特有的物理和電特性在脈沖功率技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外對液體介質(zhì)的物理過程和擊穿機(jī)理的研究已經(jīng)持續(xù)了幾十年。但由于液體本身的化學(xué)復(fù)雜性和多樣性，增加了快速脈沖下理解液體介質(zhì)基本擊穿過程和機(jī)理的難度。</p><p>

24、　　液體具有比固體更多的優(yōu)勢。液體可以循環(huán)，能有效處理擊穿瑕疵的修復(fù)工作，尤其適用于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。在脈沖功率領(lǐng)域中，根據(jù)液體應(yīng)用背景差異，其研究的側(cè)重點(diǎn)也就不同。液體作為儲(chǔ)能介質(zhì)時(shí)，學(xué)者們研究的重點(diǎn)是提高液體擊穿場強(qiáng)的措施和發(fā)展新的高擊穿場強(qiáng)液體；用作開關(guān)介質(zhì)時(shí)，側(cè)重研究液體的擊穿及恢復(fù)過程。液體的高擊穿場強(qiáng)使液體開關(guān)間隙小、電感低，因而更緊湊。液體開關(guān)的發(fā)展在很大程度上取決于對液體介質(zhì)擊穿特性的研究。</p><

25、p>　　脈沖功率技術(shù)不斷發(fā)展，人們利用納秒高功率脈沖使得液體擊穿時(shí)延進(jìn)入納秒量級(jí)，極大地減弱了因電壓作用時(shí)間長以及電極表面物理化學(xué)反應(yīng)對擊穿的影響。但目前國內(nèi)外學(xué)者們對液體介質(zhì)絕緣特性的研究尚缺乏充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法依據(jù)現(xiàn)有的資料構(gòu)建有關(guān)液體介質(zhì)擊穿的理論框架，介質(zhì)擊穿電壓的確定尚無公認(rèn)的計(jì)算公式，尤其是在短脈沖條件下的擊穿特性。這已大大阻礙了超寬帶高功率器件的最佳設(shè)計(jì)，制約了超寬帶源小型化的發(fā)展。為此，世界各主要國家正致力于從多

26、方面開展絕緣介質(zhì)擊穿特性研究。</p><p>　　1.2脈沖電場下液體介質(zhì)擊穿的研究現(xiàn)狀</p><p>　　固體和氣體介質(zhì)擊穿已有相對成熟的擊穿模型和機(jī)理，但學(xué)者們研究多年的液體介質(zhì)擊穿至今仍無合理的擊穿機(jī)理能夠解釋所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。了解液體介質(zhì)擊穿的影響因素及經(jīng)驗(yàn)公式有助于對液體介質(zhì)擊穿本質(zhì)的理解。</p><p>　　1.2.1短脈沖下液體介質(zhì)影響因素研究進(jìn)展&

27、lt;/p><p><b>　?。?）電壓極性</b></p><p>　　研究人員采用點(diǎn)球電極、300ns/3ms脈沖電壓研究烷烴擊穿特性時(shí)得出，一般正流柱呈樹枝狀，以超聲速增長，負(fù)流注呈刷狀，以亞聲速傳播，電壓由低變高，超聲波擊穿更易發(fā)生，在相對大的間隙里，有時(shí)會(huì)從亞聲波轉(zhuǎn)化為超聲波流注速度，但絕不會(huì)反向轉(zhuǎn)化[3]。</p><p>　　之后研

28、究人員又利用變壓器油（粘度4×10-5m2/s）及兩種硅油（粘度10-5m2/s和10-3m2/s）、2～3mm尖板電極間隙、幾百ns脈沖電壓時(shí)以及利用白礦物質(zhì)油、0.6～2.5cm尖板電極間隙、（0.8/2500）s脈沖電壓做試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)正流注速度隨間隙距離d的減小或外施電壓U的升高而增大，正流注以常數(shù)速度通過間隙；負(fù)流注速度小于正流注，不是以常數(shù)速度通過間隙。利用上升時(shí)間400ps、脈寬3ns、幅值700kV的脈沖電壓，2~

29、4mm半球電極間隙時(shí)發(fā)現(xiàn)，變壓器油擊穿的電壓極性效應(yīng)來自間隙擊穿過程中空間電荷的影響。尖電極為負(fù)的電壓比尖電極為正的電壓擊穿值高50%，擊穿時(shí)延越短，差值越大。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)流注傳播電壓極性效應(yīng)明顯，正負(fù)流注有不同發(fā)展階段和傳播速度，受外加電壓幅值、周期、針電極曲率、間隙、液體介質(zhì)種類、粘度、有無添加物等的影響，不同階段占據(jù)不同的發(fā)展時(shí)間比例。</p><p><b>　　（2）分子結(jié)構(gòu)</b>

30、</p><p>　　隨著先進(jìn)測量工具和提純技術(shù)的出現(xiàn)，研究液體分子結(jié)構(gòu)對電擊穿的影響成為可能。學(xué)者們開始關(guān)注不同分子結(jié)構(gòu)的新型合成液體絕緣介質(zhì)，并將注意力聚焦在苯及其衍生物上。</p><p>　　意大利羅馬大學(xué)電氣工程學(xué)院[4]研究了6種新型合成液體電介質(zhì)的傳導(dǎo)和擊穿特性（見表1-1所示）。</p><p>　　6種合成液體分子結(jié)構(gòu)組成分別為：MODBT有三個(gè)D

31、BT苯環(huán)，通過兩個(gè)碳原子連接；DTE有兩個(gè)苯環(huán)，通過一個(gè)氧原子連接；DINP僅僅有一個(gè)苯環(huán)，因此形成穩(wěn)定負(fù)離子能力有限；PXE有兩個(gè)芳香環(huán)，通過一個(gè)碳原子連接；PFPE沒有環(huán)；PPMS有一個(gè)苯環(huán)和一個(gè)固定的小磁偶極距。若是僅從分子結(jié)構(gòu)中是否存在苯環(huán)及苯環(huán)數(shù)量來考慮，MODBT應(yīng)具有最高絕緣強(qiáng)度，PFPE絕緣性最差。苯環(huán)具有電負(fù)性，容易吸收一個(gè)或兩個(gè)</p><p>　　表1-1 不同液體的電參數(shù)及擊穿電壓<

32、/p><p>　　額外電子形成穩(wěn)定負(fù)離子，從而降低絕緣介質(zhì)擊穿的可能性。實(shí)際上，MODBT和DTE確實(shí)有相對高的擊穿電壓，但卻沒有相對低的電導(dǎo)率；PFPE的擊穿電壓非常低，但其電導(dǎo)率和介電常數(shù)一樣很低，這種現(xiàn)象用常規(guī)理論難以解釋。此外，與雜質(zhì)相比分子結(jié)構(gòu)對脈沖電導(dǎo)率影響較小，但對介質(zhì)的擊穿影響很大?？梢越忉尀椋禾厥獾慕Y(jié)構(gòu)或電負(fù)性苯環(huán)的存在使電荷的傳輸在電擊穿過程中起著重要的作用。</p><p&g

33、t;　　學(xué)者們的研究都在較低的電場強(qiáng)度下測量電導(dǎo)率，而介質(zhì)擊穿涉及較高電場，因此學(xué)者們在高壓脈沖下對不同分子結(jié)構(gòu)的液體介質(zhì)進(jìn)行研究時(shí)，在某種程度上其低場傳導(dǎo)率并不能準(zhǔn)確地表征介質(zhì)的擊穿特性。</p><p>　?。?）液體靜壓和液體電導(dǎo)率</p><p>　　美國紐約理工大學(xué)韋伯研究所[5]研究了高壓脈沖下液體靜壓和液體電導(dǎo)率對去離子水溶液電擊穿的影響。研究顯示：隨著靜壓的增加，擊穿時(shí)間增

34、長，離子電流對擊穿開始的貢獻(xiàn)很小，而液體電導(dǎo)率與擊穿時(shí)間無關(guān)。</p><p>　　學(xué)者們對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后提出兩種解釋：1）熱過程與液體微秒時(shí)間量級(jí)下的擊穿有關(guān)。用液體靜壓和電導(dǎo)率對液體擊穿場強(qiáng)的影響來支持有關(guān)熱過程的論斷：靜壓力的影響表明氣泡的存在，液體中出現(xiàn)局部加熱，氣泡內(nèi)電子碰撞電離的可能性比較高。增加液體電導(dǎo)率，因此增大預(yù)擊穿電流，可以促進(jìn)氣泡的生長，增大介質(zhì)擊穿可能性；2）氣泡作用太慢以至于無法

35、解釋納秒脈沖作用下水的擊穿。認(rèn)為電子過程對納秒擊穿起主導(dǎo)作用。納秒脈沖下電離前沿蔓延速度小于電子漂移速度。暗示有一個(gè)不同于電子碰撞電離的作用機(jī)理阻止了前沿的發(fā)展。</p><p>　　對于第二種論斷爭議較大，已有實(shí)驗(yàn)證明：納秒電場中液態(tài)水的電離系數(shù)0，即液態(tài)階段的水并不產(chǎn)生電子雪崩，隨靜壓的增加擊穿時(shí)延t變長，從而得出氣泡機(jī)理是水中納秒擊穿的一個(gè)重要因素。</p><p>　?。?）電極表

36、面和液體化學(xué)組成</p><p>　　自從五十年代以來，水在高壓使用方面引起了人們很大的興趣。美國德克薩斯科技大學(xué)電氣工程學(xué)院[6]脈沖功率實(shí)驗(yàn)室嘗試用各種技術(shù)改變電極表面或水的化學(xué)組成，觀測高壓脈沖下水的擊穿過程是否會(huì)受影響。首先在兩電極內(nèi)安裝小磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁場對擊穿電壓和擊穿時(shí)間影響很小。電極上涂聚合物薄層證明是有用的，但是沒有得出正式的結(jié)論；陽極氧化鋁電極增加15%的耐壓水平。</p>&l

37、t;p>　　由于SF6具有電負(fù)性，其廣泛應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域。在火花間隙開關(guān)中，常使用SF6來增加開關(guān)的電壓閾值。當(dāng)較低能量的電子通過間隙時(shí)被氣體捕獲，因而增加了火花間隙的開關(guān)閾值。由此激發(fā)了學(xué)者們在水中混合SF6和HCL來觀測其對水擊穿影響的研究：加SF6到水中，最初一組實(shí)驗(yàn)擊穿時(shí)間t明顯的增加，隨后的兩組實(shí)驗(yàn)t沒有增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法恢復(fù)；水中加HCL，減小了預(yù)擊穿過程中水的電導(dǎo)率，但隨著HCL濃度的增加，水的擊穿電壓降低，但擊穿

38、時(shí)延增加。</p><p>　　如果像俄羅斯實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴岬剑嘿|(zhì)子運(yùn)動(dòng)建立了放電，那么具有電負(fù)性的SF6對放電便無影響。但啟發(fā)可使用電正性氣體的想法。如果較大的磁場會(huì)影響水分子和質(zhì)子相互作用而形成水合氫離子的能力，從而破壞了水中正在形成的電流通道，提高了水的耐壓。磁場對真空高壓器件起到了有效的屏蔽作用，同樣水中也存在同樣的物理機(jī)制。增加磁場強(qiáng)度，將會(huì)提高水的絕緣場強(qiáng)。</p><p>　　

39、（5）外施脈沖電壓峰值及作用時(shí)間</p><p>　　隨著高速攝影技術(shù)的使用，學(xué)者們對液體介質(zhì)外施電壓的瞬時(shí)表現(xiàn)進(jìn)行更加詳細(xì)的研究。美國北極星研究中心[7]對1.5ns～3ns脈沖持續(xù)時(shí)間下變壓器油的擊穿場強(qiáng)進(jìn)行測量（測得值為5MV/cm）。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外推法提出了經(jīng)驗(yàn)定則：外施脈沖電壓的作用時(shí)間減小10倍，變壓器油的擊穿場強(qiáng)增加約1.5倍。進(jìn)而預(yù)測在200ps的脈沖寬度下變壓器油的擊穿場強(qiáng)在10～12MV/cm范

40、圍內(nèi)。</p><p>　　外施脈沖峰值電壓的增加并不會(huì)有效地改變實(shí)際的擊穿電壓，進(jìn)一步增加脈沖幅值也不會(huì)影響擊穿過程。從統(tǒng)計(jì)意義上講，脈沖幅值增加25%并不會(huì)引起擊穿時(shí)間的改變。顯然，這種陳述對發(fā)生在脈沖后沿的擊穿過程是受限制的。</p><p><b>　?。?）間隙距離</b></p><p>　　均勻電場中擊穿電壓與間隙距離的比值并不是

41、常數(shù)，而是隨著間隙距離的增大而單調(diào)非線性增加。但對短脈沖下、非均勻電場中是否存在類似的相關(guān)性并不清楚。</p><p>　　美國[8]對納秒脈沖下，針-板電極間兩種全氟聚醚、變壓器油和硅油的擊穿特性進(jìn)行研究。對兩種全氟聚醚研究時(shí)提出了臨界間隙：小于這個(gè)臨界距離，正極性針-板電極間擊穿電壓大于負(fù)極性；大于臨界間隙時(shí)，正好相反，如圖1-1所示。對于硅油和變壓器油，在所有實(shí)驗(yàn)間隙距離下，針-正總是比針-負(fù)的擊穿電壓低，

42、即極性不同時(shí)，擊穿電壓的間隙曲線也不會(huì)交叉，如圖1-2所示。</p><p>　　上述四種絕緣油，擊穿時(shí)間與間隙距離的關(guān)系曲線在針極性不同時(shí)都沒有發(fā)生交叉，且針-負(fù)極性時(shí)的曲線總是位于針-正極性的曲線之上，如圖1-3、1-4所示。</p><p>　　圖1-1 全氟聚醚脈沖擊穿電壓與間距關(guān)系</p><p>　　圖1-2 變壓器油、硅油脈沖擊穿電壓與間距關(guān)系<

43、/p><p>　　圖1-3 全氟聚醚脈沖擊穿時(shí)延與間距關(guān)系</p><p>　　圖1-4 變壓器油、硅油脈沖擊穿時(shí)延與間距關(guān)系</p><p><b>　?。?）脈沖重復(fù)頻率</b></p><p>　　在UWB HPM系統(tǒng)中要求的重要參數(shù)為：電磁波譜含量、峰值輸出功率和重復(fù)頻率。電磁波譜幅值由峰值功率決定，頻率分布完全由輸

44、出脈沖的上升時(shí)間和脈寬決定。峰值功率限制著脈沖源的物理尺寸。對于同軸UWB HPW脈沖源，為了減小電感，最佳的設(shè)計(jì)是最小化外直徑與內(nèi)直徑的比值。然而為了避免高重頻運(yùn)行下絕緣介質(zhì)的擊穿，必須對該條件下介質(zhì)耐壓性能有一個(gè)較清楚的了解。</p><p>　　美國新墨西哥州空軍試驗(yàn)室[9]測量了變壓器油在亞納秒脈沖下的臨界擊穿場強(qiáng)，并對單次及重復(fù)頻率脈沖觸發(fā)情況下變壓器油的擊穿特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)是在充滿油的Rogows

45、ki切面（面積12.5㎝2）電極間施加前沿130ps、幅值960kV負(fù)脈沖下進(jìn)行的。研究發(fā)現(xiàn)：單次脈沖時(shí)，外施電壓即使沒有導(dǎo)致間隙擊穿，也會(huì)使變壓器油預(yù)先有一定的電擊穿傾向。單次脈沖下測得異常高的擊穿場強(qiáng)11MV/cm（見表1-2所示）。</p><p><b>　　表1-2 測試結(jié)果</b></p><p>　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對工程應(yīng)用十分有利。重復(fù)脈沖串導(dǎo)致臨界擊穿

46、場強(qiáng)明顯減小，頻率1kHz時(shí)擊穿場強(qiáng)減小了一倍?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，該研究給出了兩種物理推斷：1）借助于電子高場遷移率，計(jì)算出兩電極間電子傳輸時(shí)間t在納秒時(shí)間范圍內(nèi)，明顯大于外施電壓脈沖寬度。電子傳輸時(shí)間接近一個(gè)電子崩橫穿間隙的傳輸時(shí)間，這暗示電場畸變很可能由空間電荷引起，由此推斷亞納秒時(shí)間范圍內(nèi)，液體中流注理論也許仍然有效；2）電場＞3MV/cm時(shí)，電子從電場中獲得的能量比與液體碰撞損失的能量大得多，因而推斷亞納秒時(shí)間內(nèi)液體中電擊穿很

47、可能從一個(gè)高能電子的作用過程開始。</p><p><b>　　（8）添加物</b></p><p>　　脈沖電壓下液體分子的電子親和力對流注傳播影響很大，當(dāng)液體中增加適量（約0.4mol/L）易吸附成分時(shí)，負(fù)流注的傳播速度增加到原來的5倍，且出現(xiàn)更多分枝，而正流注則無明顯變化；當(dāng)增加量超過一定值時(shí)，對流注特性無進(jìn)一步的影響。另外，當(dāng)液體中加入適量（約0.5mol/L

48、）易電離成分時(shí)，負(fù)流注變化很小，正流注的速度增加至原來的3倍，也出現(xiàn)更多細(xì)絲。</p><p><b>　?。?）電壓波形</b></p><p>　　文[10]指出碳?xì)湟后w介質(zhì)乙烷存在一臨界擊穿電壓脈寬值t，電壓脈寬t＞t時(shí)擊穿場強(qiáng)E與t無關(guān)，t＜t時(shí)E隨t縮短而急劇上升，如圖1-6所示。</p><p>　　圖1-6 電壓脈寬與擊穿場強(qiáng)的關(guān)

49、系</p><p>　　1.2.2短脈沖擊穿特性參數(shù)的研究進(jìn)展</p><p>　　液體的脈沖擊穿從電極開始，所以擊穿場強(qiáng)應(yīng)該與面積有關(guān)。對于一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間在0.1～10s范圍內(nèi)的均勻電場，擊穿場強(qiáng)可近似為：</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中：E是高于靜態(tài)擊穿條件的擊穿場強(qiáng)，MV

50、/cm；A是單位為cm2的電極面積；t被定義為在電壓高于0.63V范圍內(nèi)的等效脈沖持續(xù)時(shí)間。k取值范圍為：0.3～0.6，對于變壓器油k取0.5。隨著后來短脈沖技術(shù)的飛快發(fā)展，T.H.Martin在J.C.Martin的基礎(chǔ)上對納秒脈沖作用下液體絕緣介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)公式進(jìn)行了修正，提出了適合該時(shí)間量級(jí)下?lián)舸┕胶鸵后w靜壓影響下的臨界擊穿公式：</p><p><b>　　(1-2)</b>&l

51、t;/p><p>　　其中：d為電極間隙距離（cm）。</p><p>　　美國空軍試驗(yàn)室[11]通過脈沖壓縮技術(shù)對兩個(gè)半球電極（間距0.4～0.8mm）間變壓器油的擊穿特性進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)了擊穿時(shí)延小于5ns情況下電場強(qiáng)度與擊穿時(shí)延的經(jīng)驗(yàn)公式：</p><p><b>　　(1-3)</b></p><p>　　式中：E為

52、擊穿場強(qiáng)（kV），t為擊穿時(shí)延（s）。同時(shí)闡述了電介質(zhì)擊穿的極性相關(guān)性：針-負(fù)極比針-正極的擊穿強(qiáng)度高，尤其在較短的擊穿時(shí)延下，針-負(fù)極的擊穿強(qiáng)度比針-正極時(shí)增加約50%。</p><p>　　美國紐約工學(xué)院[12]對短脈沖下鹽溶液電擊穿的研究顯示：擊穿時(shí)延隨鹽溶液濃度的變化在對數(shù)坐標(biāo)上成線性(斜率為-1)。擊穿時(shí)延與溶液中離子數(shù)量密度N間的關(guān)系用方程式表示為：</p><p>　　常數(shù)

53、 (1-4)</p><p>　　預(yù)擊穿電流可以通過低密度區(qū)電子雪崩和液體中氣泡進(jìn)行增長。此時(shí)電離系數(shù)≠0。美國紐約理工大學(xué)韋伯研究所觀察了水和NaCl溶液的納秒預(yù)擊穿現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，水中沒有可測的預(yù)擊穿電流，而對于一定濃度的NaCl溶液當(dāng)間距d=0時(shí)，R不能外推到0。由此推斷電極附近存在一個(gè)高電阻率的包皮層（設(shè)包皮電阻為R），通過理論計(jì)算證明了包皮層的存在。在理論計(jì)算中假設(shè)預(yù)擊

54、穿恒流電阻為：</p><p><b>　　(1-5)</b></p><p>　　預(yù)擊穿的電流-電壓基本上呈線性關(guān)系，可以用一個(gè)恒值電阻R（R=R+ R）來描述，預(yù)擊穿電流的大小取決于液體電導(dǎo)率。</p><p>　　液體中的擊穿現(xiàn)象是一個(gè)電子學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的結(jié)果[13]。在預(yù)擊穿后，電流急劇上升，隨著間隙電壓徹底快速的下降電流終止。從

55、預(yù)擊穿電流到徹底的電壓突降，可以用兩種狀態(tài)來描述[14]：一是電子電流隨時(shí)間指數(shù)增長，二是電流隨時(shí)間近似線性增長。線性電流增長主要依靠外施電場，似乎與液體靜壓無關(guān)。在1s或更短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)逐步形成kA量級(jí)的擊穿電流。由于擊穿過程持續(xù)時(shí)間相對短，與放電有關(guān)的電流脈沖很難定量分析。</p><p><b>　　1.3本文研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文給出了脈沖

56、電場作用下液體介質(zhì)擊穿的影響因素及液體介質(zhì)擊穿的經(jīng)典公式，液體介質(zhì)擊穿機(jī)理的最新進(jìn)展及成果：電子理論、氣泡理論和雜質(zhì)擊穿等。分析液體介質(zhì)擊穿機(jī)理，歸納出液體介質(zhì)的擊穿過程及擊穿模型。通過研究人對液體介質(zhì)的擊穿特性的歸納有助于揭示液體介質(zhì)擊穿的本質(zhì)特性。</p><p>　　液體介質(zhì)擊穿的基本機(jī)理</p><p>　　從20世紀(jì)50年代開始，人們就對液體絕緣介質(zhì)擊穿機(jī)理進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)

57、研究，取得了顯著成果。目前主要有兩種擊穿機(jī)理來描述液體的絕緣擊穿：一是電子雪崩流注理論[15]；二是氣泡擊穿理論。電子雪崩流注理論與氣體放電中的雪崩流注理論相類似[16]，在高電場的作用下，由場致發(fā)射產(chǎn)生電子，電子在電場的作用下從陰極飛向陽極，在飛行路徑上與液體分子或原子發(fā)生碰撞而引起電離，從而產(chǎn)生新的電子，新的電子繼續(xù)與液體分子或原子發(fā)生碰撞電離，形成電子崩，電子數(shù)將以雪崩似地增加，在陰陽極間形成電子通道，導(dǎo)致液體絕緣介質(zhì)擊穿。氣泡擊

58、穿理論是指在強(qiáng)電場作用下，液體介質(zhì)中有傳導(dǎo)電流流過，這一電流雖然并不大，但它能夠使電極附近的液體受到加熱，并發(fā)生汽化，從而在電極間隙形成氣體小橋，剛開始?xì)馀輧?nèi)的壓力很大，氣泡就快速的擴(kuò)張，直到氣泡內(nèi)壓力減小到與氣泡外液體壓力相等。隨著這個(gè)過程重復(fù)的發(fā)生，就在電極間隙間形成了一個(gè)氣體小橋，沿著這個(gè)小橋進(jìn)一步形成放電通道，發(fā)展為間隙擊穿。實(shí)際應(yīng)用中，以上兩種擊穿理論在液體介質(zhì)的絕緣擊穿中同時(shí)存在，只是在脈沖作用時(shí)間小于μs量級(jí)時(shí)電子雪崩流注

59、理論占主導(dǎo)地位；而在脈沖作用時(shí)間為μs量級(jí)時(shí)氣</p><p><b>　　液體介質(zhì)擊穿機(jī)理</b></p><p><b>　　電子理論</b></p><p>　　電子從陰極發(fā)射，進(jìn)入液體以后，在足夠高的場強(qiáng)下，一些電子能夠從電場中得到比它們與液體分子或原子非彈性碰撞損失的更多的能量，這些電子一直被加速到具有足夠的能量

60、去電離液體分子或原子，同時(shí)空間正離子增強(qiáng)了陰極表面的電場強(qiáng)度，促進(jìn)電子發(fā)射，電子累積形成電子崩，最終導(dǎo)致?lián)舸18]。</p><p>　　首先是陰極電子發(fā)射。陰極表面電子發(fā)射的方式是多種的：熱發(fā)射、光電發(fā)射、場致發(fā)射及二次發(fā)射等。在液體介質(zhì)中，金屬表面具有與真空金屬表面不同的電勢分布，Lewis T J給出液體介質(zhì)金屬表面電子發(fā)射的模型：Auger電子過程（電子的冷發(fā)射）[19]。</p><

61、;p>　　在外加電場作用下，電極表面出現(xiàn)低密度空穴或氣泡，在Lippmann效應(yīng)（即彩色照相干涉法：把帶有靈敏照相膠片的平板放入一個(gè)裝有水銀的盒子中，在曝光期間，水銀與該靈敏的膠片接觸，形成反射面，曝光后，按照普通方法把感光板進(jìn)行處理，該板干后，顏色就會(huì)出現(xiàn)。該法不用染料和顏料，而是利用各種不同波長的天然顏色）下，液體表面張力被減小，電極表面出現(xiàn)雙層空間電荷，在固液接觸面出現(xiàn)電位差。表面張力與表面場強(qiáng)的關(guān)系：</p>

62、<p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　表面場強(qiáng)分布圖見圖2-1。假設(shè)雙層電荷厚度δ為10-9m，介電常數(shù)為2，則局部電場強(qiáng)度可達(dá)到108～109V/m，得到表面張力Δγ在-0.2～-18mN/m，而且液體與金屬界面的表面張力比液體自由表面張力還要小，這表明在強(qiáng)電場下，液體可能丟失掉全部的與金屬交界面的表面張力，這有利于金屬表面電子脫離表面進(jìn)入液體。</

63、p><p>　　圖2-1 電極與液體介質(zhì)表面的電場分布</p><p>　　在負(fù)電極，液體中的正離子穿過δ厚度的低密度區(qū)，到達(dá)電極表面，很可能具有低于但接近于金屬電極費(fèi)米能級(jí)的能量，與外加電壓共同作用，能夠引導(dǎo)金屬電極電子共振隧道效應(yīng)（電子能量低于勢壘高度不多，且勢壘較薄，電子就可能穿過勢壘且能量不減少），電子從費(fèi)米能級(jí)躍遷到真空能級(jí)，電子中和正離子，釋放能量，所釋放的能量可能經(jīng)過各種方式消散

64、掉，但是最可能激發(fā)費(fèi)米能級(jí)水平以上的電子形成二次電子發(fā)射，同時(shí)，電子與離子中和更加減少了電極附近低密度區(qū)的密度，使得正離子更易于引導(dǎo)金屬電極電子隧道效應(yīng)，而二次電子發(fā)射可能引發(fā)電子崩，電子崩尾的正電荷也加強(qiáng)了低密度區(qū)的電場，所以上述過程構(gòu)成正反饋。</p><p>　　在正電極，負(fù)離子容易穿過低密度區(qū)到達(dá)正電極，經(jīng)由電子隧道效應(yīng)，電子從負(fù)離子容易進(jìn)入金屬電極，進(jìn)而向下過渡到金屬費(fèi)米能級(jí)水平，釋放能量，這些能量進(jìn)而

65、促進(jìn)二次電子從費(fèi)米能級(jí)以下躍遷到費(fèi)米能級(jí)以上，空缺電子位置隨后被液體分子電子隧道效應(yīng)所填補(bǔ)，在液體表面留下更多的正離子，加強(qiáng)了空間電荷場的場強(qiáng)，形成正反饋，在足夠高的電場強(qiáng)度下，空間電荷層能夠出現(xiàn)電子崩，導(dǎo)致液體擊穿更容易發(fā)生。</p><p>　　其次是電子增長產(chǎn)生電子崩。電子碰撞電離開始條件見公式（2-2）：</p><p><b>　　（2-2）</b><

66、/p><p>　　其中：e為電子的電量，E為外加電場強(qiáng)度，為電子平均自由程，u為液體分子電離能。公式（2-2）表示電子從外電場得到的能量等于激勵(lì)液體分子消散的能量，電子如果從外電場得到的能量大于液體分子或原子非彈性碰撞損失能量，則能夠?qū)е码娮颖赖漠a(chǎn)生。另外，在擊穿發(fā)生前的瞬間，預(yù)擊穿電流發(fā)射大量的光，光子為液體分子的電離提供能量，促進(jìn)電子崩的發(fā)生[20]。而二次電子發(fā)射可能引發(fā)電子崩，電子崩尾的正電荷也加強(qiáng)了低密度區(qū)

67、的電場，從而構(gòu)成正反饋。正負(fù)電極的電子擊穿發(fā)展過程如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 正負(fù)極電子擊穿發(fā)展過程</p><p><b>　　氣泡放電</b></p><p>　　液體介質(zhì)中由于各種原因產(chǎn)生氣泡，在外電場作用下，氣泡發(fā)展到一個(gè)臨界長度或氣泡貫穿間隙導(dǎo)致?lián)舸┰跉馀葜邪l(fā)生。</p><p>　　電流熱

68、效應(yīng)：陰極發(fā)射電流密度可以達(dá)到1～10A/cm2，在流注貫穿間隙前，流注的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生較高的預(yù)電流，這些電流作用可能在0.14μs的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生氣泡。</p><p>　　離子間的靜電斥力：非極性液體大多以分子或原子形態(tài)存在，電子極化反應(yīng)是液體分子或原子在電場中的主要表現(xiàn)，在液體的預(yù)擊穿階段，電子被發(fā)射到液體中以后，易于與分子、原子或雜質(zhì)結(jié)合形成離子，正空穴可能電離產(chǎn)生離子，在外電場的作用下，雜質(zhì)分子也可能分解為離

69、子，離子態(tài)在非極性液體介質(zhì)的擊穿過程中起著重要作用。</p><p>　　液體振蕩導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生，在液體預(yù)擊穿流注發(fā)展階段，流注通道的發(fā)展產(chǎn)生強(qiáng)烈的液體震蕩波，以聲速或超聲速傳播，顯然液體介質(zhì)的波動(dòng)造成液體中氣泡的產(chǎn)生[18]。</p><p><b>　　雜質(zhì)擊穿</b></p><p>　　工程用液體電介質(zhì)或多或少地含有一些雜質(zhì)。例如油中常因

70、受潮而含有水分，還有油紙或布脫落的纖維。由于水和纖維的介電常數(shù)很大，使他們?nèi)菀讟O化而沿電場方向定向排列。如果定向排列的纖維貫穿于電極間形成連續(xù)小橋，則由于水分及纖維等的電導(dǎo)大而泄露電流大，發(fā)熱增多，促進(jìn)水分汽化、氣泡擴(kuò)大；如果定向排列的纖維未貫穿整個(gè)電極間隙，則由于纖維的介電常數(shù)大而使纖維端部油中場強(qiáng)顯著增高，高場強(qiáng)下油電離分解出氣體形成氣泡；氣泡電離并因發(fā)熱而擴(kuò)大，電離的氣泡排成氣體的小橋[21]。</p><p&

71、gt;　　液體中雜質(zhì)的存在加強(qiáng)了液體中電場分布的不均勻性，雜質(zhì)在電場中被極化，在接近電極的時(shí)候，可能增強(qiáng)電極表面的電場強(qiáng)度，引發(fā)液體的局部放電，導(dǎo)致?lián)舸┑倪M(jìn)一步發(fā)生。</p><p>　　快脈沖介質(zhì)擊穿發(fā)展過程</p><p>　　液體介質(zhì)擊穿的模型可以描述為：首先，在電極粗糙面附近液體中集結(jié)一個(gè)氣泡。由于場致發(fā)射電流持續(xù)加熱，局部液體密度隨時(shí)間減小。當(dāng)液體分子數(shù)量密度減小到臨界值Nc時(shí)，

72、電子雪崩開始發(fā)展。當(dāng)空間電荷產(chǎn)生的電場與外施電場大致相同時(shí)，雪崩的生長受到抑制。由于電子持續(xù)直接加熱雪崩前方的液體，因而密度降低到小于Nc，在這個(gè)區(qū)域新的雪崩形成。電離前方液體的輸入功率與牽引式電離通道（新的電離過程是在前級(jí)電離基礎(chǔ)上進(jìn)行的，形成的電離通道成為牽引式電離通道）的電阻有關(guān)。通道電阻必須足夠低以至于從電極產(chǎn)生的能量足夠加熱電離前沿的液體。加熱、密度降低以及雪崩生長和抑制，這一系列過程的不斷循環(huán)進(jìn)行使得電離前沿蔓延整個(gè)間隙，間

73、隙完成擊穿[22]。</p><p>　　擊穿時(shí)延是分析擊穿機(jī)理的一個(gè)重要因素。一般指從施加脈沖電壓的開始到絕緣介質(zhì)的體擊穿或閃絡(luò)所需要的時(shí)間。美國新澤西州立大學(xué)物理學(xué)院使用攝影技術(shù)跟蹤軌跡測量了單次脈沖情況下變壓器油的擊穿時(shí)延[11]，指出擊穿時(shí)延是重要的隨機(jī)變量，電極間距、形狀和極性對擊穿時(shí)延都有影響。擊穿時(shí)延具有極性效應(yīng)：針陰極擊穿時(shí)延比針陽極時(shí)要長很多，且數(shù)據(jù)的分散性大[23]。</p>&

74、lt;p>　　擊穿的四個(gè)階段分別用擊穿時(shí)延的四個(gè)分量表示： =+++，是集結(jié)點(diǎn)的形成時(shí)間；是集結(jié)點(diǎn)的生長直到局部密度降低到臨界密度以下以至于發(fā)生電子碰撞電離的時(shí)間；是電子雪崩指數(shù)增長直到空間電荷電場抑制其生長的時(shí)間；是從雪崩停滯開始到電極間隙導(dǎo)通的時(shí)間間隔。擊穿時(shí)延又可以看成是統(tǒng)計(jì)時(shí)延和形成時(shí)延組成的。統(tǒng)計(jì)時(shí)延是放電開始時(shí)間的測量值，≈；形成時(shí)延是從開始放電到在電極間形成一個(gè)高的導(dǎo)電通道時(shí)間的測量值，≈++。方波脈沖下?lián)舸r(shí)延如圖

75、2-3所示[24]。</p><p>　　圖2-3 方波脈沖下?lián)舸r(shí)延組成</p><p>　　集結(jié)點(diǎn)的形成和低密度區(qū)的生長</p><p>　　液體介質(zhì)快脈沖擊穿中，集結(jié)點(diǎn)的形成是非常必要的。集結(jié)速度與單位體積液體分子數(shù)、分子質(zhì)量、分子汽化熱及氣泡內(nèi)壓強(qiáng)有關(guān)。集結(jié)的氣泡內(nèi)壓強(qiáng)由集結(jié)前準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)液體分子的過熱決定。過熱量依賴于輸入液體的功率P，P是電極粗糙面附近局部增強(qiáng)

76、場E的函數(shù)(E=E，是增強(qiáng)因子)，則</p><p>　　=(E, p) (2-3)</p><p>　　式中P為氣泡內(nèi)壓強(qiáng)。集結(jié)區(qū)域的密度由于氣泡膨脹和向陽極的軸向拉伸在不斷減小。當(dāng)液體分子數(shù)量密度N<N時(shí)，發(fā)生電子碰撞電離。液體局部密度變化可以用集結(jié)點(diǎn)氣泡半徑來描述。膨脹使液體分子密度降低到NC時(shí)，此時(shí)氣泡半徑為r。水中的r≈5

77、15;10-5cm[22]。</p><p>　　2.2.2電子碰撞電離及電離前方的蔓延</p><p>　　對于＞nuc+ex，蒸汽分子發(fā)生碰撞電離。對于水蒸汽的電離系數(shù)按以下公式計(jì)算：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　150≤E/Pν≤1000（Pν蒸汽壓力，單位為mmHg，E為V

78、/cm）。</p><p>　　氣泡內(nèi)電子密度按指數(shù)規(guī)律增長，直到空間電荷電場E與擊穿場強(qiáng)E具有相同數(shù)量級(jí)時(shí)為止。此時(shí)，電離區(qū)邊界電場明顯增強(qiáng)，而區(qū)域內(nèi)總電場大大削弱，電子空間增長受到抑制。這種現(xiàn)象與氣體中由雪崩到流注的過渡階段相似。通過分析，當(dāng)r=18時(shí)雪崩停止。r是低密度區(qū)電子雪崩臨界停止時(shí)氣泡的半徑，r與氣泡外壓有關(guān)。隨后的擴(kuò)張和電離增長主要沿電場方發(fā)生（由于空間電荷電場的加強(qiáng)）。考慮到壓力的變化范圍，r=

79、18，r≈10-6cm，略小于r；即在n≤n<<1ns。</p><p>　　電子雪崩在極短的時(shí)間內(nèi)受到抑制，但崩頭的加強(qiáng)使得場內(nèi)電子不斷注入到交界面處的液體中，局部加熱液體，從而降低液體密度。當(dāng)局部加熱區(qū)液體分子數(shù)密度降低到小于Nc時(shí)，新的電子崩便在此處出現(xiàn)。電離區(qū)朝陽極方向發(fā)展，延長了電離通道，當(dāng)導(dǎo)電性良好的電離通道發(fā)展到陽極后，間隙擊穿。崩頭前方液體的輸入功率密度與牽引式電離通道的電阻有關(guān)，則牽

80、引式電離通道的電阻控制前方的加熱率和蔓延速度。影響前方蔓延因素可歸納為三個(gè)：①崩頭前方區(qū)域的加熱；②前方的電離速率；③牽引式電離通道的電阻[22]。</p><p>　　2.2.3集結(jié)準(zhǔn)則和擊穿</p><p>　　已經(jīng)得到的結(jié)果表明+<<＋。此外，臨界半徑r<r，一旦氣泡形成，伴隨的氣泡的擴(kuò)張使得密度降低到Nc，相應(yīng)的氣泡尺寸必須足夠大以維持電離前沿朝陽極發(fā)展。因此，為

81、了發(fā)生擊穿，必須先產(chǎn)生一個(gè)氣泡。在間隙距離d接近0時(shí)，也趨近于0。因此，擊穿出現(xiàn)最短時(shí)間。最小時(shí)間和功率密度間的關(guān)系已在文獻(xiàn)[23]得出：</p><p>　　J/m3 (2-5)</p><p>　　式中E為加強(qiáng)場,j為電流密度。這就是集結(jié)準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則應(yīng)用廣泛[22]。</p><p><b>　　快脈沖介質(zhì)擊穿模型&

82、lt;/b></p><p>　　(1) 擊穿過程的開始</p><p>　　學(xué)者們在研究快脈沖作用下液體介質(zhì)擊穿過程的開始階段時(shí)引用了許多模型[24]，主要有：①液態(tài)階段發(fā)生電子雪崩的純電子過程；②液體中預(yù)先存在的氣泡內(nèi)或由于液體汽化隨之形成的氣泡中發(fā)生電子雪崩的氣泡動(dòng)態(tài)過程。液體介質(zhì)中存在氣泡，形成復(fù)合介質(zhì)，氣泡中場強(qiáng)高于液體，而氣體擊穿場強(qiáng)低于液體，因而氣泡先擊穿，電離產(chǎn)生高能

83、電子使液體分子電離，生成更多氣體，氣泡擴(kuò)大，當(dāng)氣泡連通兩極時(shí)，形成氣橋，導(dǎo)致液體介質(zhì)發(fā)生擊穿。氣泡擊穿理論有兩種觀點(diǎn)：熱化氣擊穿和電離化氣擊穿。熱化氣擊穿是指電極上局部電場集中處向液體中發(fā)射電流，加熱液體使之氣化。當(dāng)陰極發(fā)射電流產(chǎn)熱與液體氣化所需熱相等時(shí)，氣泡產(chǎn)生，進(jìn)而擊穿；電離化氣是指液體中高能粒子碰撞液體分子，分子鏈斷裂，產(chǎn)生氣體等低分子產(chǎn)物，進(jìn)而擊穿。</p><p>　　(2) 微秒擊穿模型</p&

84、gt;<p>　　近來有關(guān)微秒時(shí)間范圍內(nèi)擊穿的描述，多數(shù)模型基于氣泡動(dòng)力學(xué)。液體中由于某種原因而形成氣泡，當(dāng)氣泡膨脹到某一臨界尺寸，或橋接間隙時(shí)，假設(shè)放電在氣泡中發(fā)展了。隨后按照放電發(fā)展的物理假設(shè)推導(dǎo)出不同的擊穿準(zhǔn)則。如在有些模型中當(dāng)氣泡內(nèi)(氣壓×大氣泡半徑)為帕申極小值；或者一定而氣泡內(nèi)的電場等于帕申擊穿所要求的電場時(shí)，可以采用帕申擊穿準(zhǔn)則。但是間隙完成擊穿還需要一系列循環(huán)作用過程(如：有關(guān)的二次過程以及氣體密

85、集區(qū)空間電荷電場的作用)，而這些過程中帕申準(zhǔn)則的適用條件并不確定。</p><p>　　(3) 納秒擊穿模型</p><p>　　液體(例如己烷和水)中發(fā)展的導(dǎo)電通道蔓延速度v為106~107cm/s數(shù)量級(jí)[24]。這樣，一個(gè)氣泡簡單的流體動(dòng)力學(xué)膨脹不足以描述納秒放電時(shí)間內(nèi)通道的蔓延。因此，大多數(shù)學(xué)者嘗試在氣體納秒放電模型的基礎(chǔ)上建立液體介質(zhì)納秒擊穿模型，尤其流注模型。這說明在高幅值納秒電

86、場影響下電子雪崩可以生長（如水中），況且有些模型中，擊穿伴隨著一個(gè)雪崩向流注的轉(zhuǎn)入。然而，由于液態(tài)中納秒擊穿區(qū)電子碰撞電離和光電離還存在爭論，所以氣體狀態(tài)下的流注機(jī)理不可能直接應(yīng)用于液體介質(zhì)。而且，即便有電離發(fā)生，由于液體密集區(qū)大的吸收系數(shù)，光電離輻射對電離速度的影響很小。</p><p>　　為此，廣泛采用的模型是：將熱過程和電子過程結(jié)合起來解釋微秒及納秒時(shí)范圍內(nèi)的擊穿。對于微秒或更長時(shí)間量級(jí)，或相對低的電場強(qiáng)

87、度作用下，熱過程起主導(dǎo)作用；對于納秒或更短時(shí)間量級(jí)，或較高電場情況下，電子過程(雪崩或雪崩流注)起主導(dǎo)作用。也有學(xué)者認(rèn)為：電子機(jī)理在短脈沖、長間隙、高壓強(qiáng)下起作用；而氣泡機(jī)理對于長脈沖、短間隙、低壓強(qiáng)條件下的擊穿是起作用的。</p><p>　　(4) 液態(tài)惰性氣體的擊穿模型</p><p>　　目前，已使用純電子過程來解釋液態(tài)惰性氣體的擊穿，尤其是液態(tài)Ar。有兩個(gè)理由：①液態(tài)惰性氣體具有

88、高的電子遷移率和低的臨界電離場，電子雪崩在液體狀態(tài)下更容易形成；②液態(tài)A的擊穿強(qiáng)度與液體靜壓無關(guān)。然而，當(dāng)液態(tài)A的平均擊穿場強(qiáng)小于臨界電離場時(shí)，純電子機(jī)理便無法解釋其整個(gè)擊穿過程。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了液體擊穿的擊穿機(jī)理，包括電子擊穿理論、氣泡放電擊穿理論及雜質(zhì)擊穿理論。隨后，給出了在快脈沖下，液體介質(zhì)發(fā)生擊

89、穿的具體過程。同時(shí)，介紹了擊穿過程的開始、微秒擊穿模型、納秒擊穿模型以及液態(tài)惰性氣體擊穿模型。擊穿時(shí)延由四個(gè)分量組成：=+++。</p><p>　　脈沖電場作用下不同液體的擊穿</p><p>　　液體擊穿常用實(shí)驗(yàn)電極有：①平板電極，一般由Rogowski電極外形即有圓弧電極邊緣，提供均勻電場；②尖板電極提供極不均勻電場，顯著特點(diǎn)是流注起始點(diǎn)的確定，利于研究擊穿中流注的產(chǎn)生、增長與熄滅的

90、發(fā)展過程；尖板電極下液體介質(zhì)擊穿有明顯的極性效應(yīng)，表明正負(fù)流注有可能有不同的擊穿機(jī)理；③球球電極提供稍不均勻電場，擊穿特性最可能接近工程實(shí)際[3]。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)方法選擇不同的電極結(jié)構(gòu)。</p><p>　　電壓信號(hào)通常采用電阻分壓器或電容分壓器測量。上述實(shí)驗(yàn)采用的是具有響應(yīng)時(shí)間快、結(jié)構(gòu)緊湊、制作方便、對被測量系統(tǒng)影響小等特點(diǎn)的耦合式電容分壓器。設(shè)計(jì)良好的電容分壓器測量帶寬可以達(dá)到6GHz，一般可以滿足納秒脈沖信

91、號(hào)上升沿的測量要求，但需盡量避免雜散電感等的影響。因此對電壓信號(hào)進(jìn)行降噪，消除干擾因素。</p><p>　　脈沖大電流的測量可采用小電阻分流器或自積分羅氏線圈。采用分流器檢測擊穿時(shí)放電電流波形對于判斷擊穿時(shí)延較方便。但是用電阻分流器測量幾十納秒脈沖以下的信號(hào)時(shí)，測量電阻高頻響應(yīng)可能不夠，雜散電容、電感等因素導(dǎo)致電流信號(hào)可信度下降。自積分羅氏線圈頻率響應(yīng)高，靈敏度為10-3～10-4V/A，可取得上升時(shí)間＜1ns

92、，衰減時(shí)延微秒級(jí)。故上述實(shí)驗(yàn)采用自積分羅氏線圈[25]。</p><p>　　對測得的脈沖電壓電流信號(hào)分析可知，重復(fù)頻率脈沖下存在電磁干擾等多種因素影響被測信號(hào)。電磁干擾主要有連續(xù)存在的背景白噪聲、施加重復(fù)頻率序列脈沖時(shí)存在的間歇性干擾噪聲及間隙被擊穿時(shí)瞬態(tài)產(chǎn)生的持續(xù)高頻振蕩噪聲。試驗(yàn)中有時(shí)很難絕對地將試驗(yàn)系統(tǒng)接地和測量系統(tǒng)接地分開，這種局限決定接地系統(tǒng)的電位暫態(tài)升高可能會(huì)對被測信號(hào)產(chǎn)生干擾。因此需要對被測信號(hào)根

93、據(jù)以上幾種情況進(jìn)行必要的降噪及補(bǔ)償，以期達(dá)到準(zhǔn)確地根據(jù)測量信號(hào)得到間隙絕緣特征的各種參量，減小不必要的誤差。</p><p>　　傳統(tǒng)的信號(hào)降噪處理辦法主要是傅氏變換或拉氏變換，這些變換方法不具有時(shí)-頻分辨能力，有一定的局限性。小波變換處理是近20年來迅速發(fā)展起來的一種具有多分辨率的時(shí)-頻分析。小波變換可以實(shí)現(xiàn)在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，很適

94、合檢測出在正常信號(hào)中疊加的瞬態(tài)反常信號(hào)，結(jié)合重復(fù)頻率納秒脈沖下的電壓、電流信號(hào)被噪聲干擾的特點(diǎn)采用小波變換降噪是比較合適的一種信號(hào)處理辦法[26]。</p><p>　　壓力水介質(zhì)的高壓脈沖擊穿方法</p><p>　　對于直線感應(yīng)加速器（LIA）的脈沖功率系統(tǒng)而言，用水介質(zhì)代替油介質(zhì)作為脈沖形成線的儲(chǔ)能介質(zhì)，是脈沖功率技術(shù)發(fā)展的一大技術(shù)突破。從而拓展了低阻抗強(qiáng)流電子束加速器的研究和應(yīng)用。

95、同時(shí)水介質(zhì)的脈沖擊穿特性也得到了人們的廣泛關(guān)注。水介質(zhì)的擊穿研究最早是在20世紀(jì)60年代中期由J.C.Martin和他的同事們完成的。他們得出如下結(jié)論：在時(shí)間小于1μs、電壓約1MV下，水的擊穿場強(qiáng)由作用時(shí)間和有效作用面積共同決定。后來脈沖線的設(shè)計(jì)一般都用Martin的經(jīng)驗(yàn)公式，只是實(shí)際運(yùn)行電壓低于理論擊穿值的70%；為了滿足加速器的可靠運(yùn)行，大型加速器的脈沖功率系統(tǒng)顯得較為龐大。為了進(jìn)一步提高水線的儲(chǔ)能密度和減小大型加速器的脈沖功率系

96、統(tǒng)幾何尺寸，需要進(jìn)一步提高水線的運(yùn)行電壓，即提高水的耐壓強(qiáng)度。中國工程物理研究院針對這一問題，設(shè)計(jì)了一套水介質(zhì)耐壓實(shí)驗(yàn)裝置，對去離子水介質(zhì)在壓力作用下的脈沖擊穿特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[27]。</p><p>　　3.1.1實(shí)驗(yàn)方法概述</p><p>　　圖3-1 壓力水介質(zhì)脈沖擊穿實(shí)驗(yàn)裝置框圖</p><p>　　壓力作用下的去離子水脈沖擊穿特性研究的實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖

97、3-1所示，它的等效電路如圖3-2所示。由高壓脈沖發(fā)生器輸出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)已充電的Marx發(fā)生器，Marx發(fā)生器經(jīng)電感后輸出一個(gè)衰減余弦波，作用在實(shí)驗(yàn)電極上，電壓波形周期由電感來調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)波形周期約為5.25μs。電壓波形的輸出幅度由直流高壓電源控制。實(shí)驗(yàn)電極為一球隙，是檢驗(yàn)?zāi)蛪呵闆r的裝置。電極球面半徑為50mm，間距為1.5mm，放在一個(gè)水介質(zhì)壓力容器中。容器由水處理系統(tǒng)提供經(jīng)過處理的去離子水，其電阻率可達(dá)6MΩm，可循環(huán)。水介質(zhì)的壓力

98、由壓力系統(tǒng)提供，壓力系統(tǒng)是利用壓力的傳遞效應(yīng)，即在已充滿去離子水的容器中充入溶解率極低的氮?dú)?，靠氣壓來提高水介質(zhì)的壓力。采用電容值比Marx發(fā)生器的串聯(lián)電容C小的電容C作為負(fù)載，目的是得到A點(diǎn)的電壓增益，使作用在電極上的電壓比Marx發(fā)生器本身輸出的要高。球隙電極上的電壓是由高壓脈沖分壓器經(jīng)兩級(jí)分壓后饋入示波器獲得的[27]。</p><p>　　圖3-2 壓力水介質(zhì)脈沖擊穿實(shí)驗(yàn)等效電路示意圖</p>

99、<p>　　3.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論概述</p><p>　　測得間隙上的電壓波形如圖3-3所示。當(dāng)作用在間隙上的電壓繼續(xù)增大時(shí)水介質(zhì)的絕緣性能將被打破，絕緣擊穿也就發(fā)生了。圖3-4就是擊穿后的波形。實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)變化范圍為0.1~0.7MPa，每個(gè)氣壓下重復(fù)多次擊穿實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)多達(dá)10次以上），取10次擊穿的平均電壓作為該氣壓下的擊穿電壓值。實(shí)驗(yàn)測得去離子水的脈沖擊穿場強(qiáng)與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖3-5所示。由圖3-5可

100、知，在壓力的作用下，水介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度得到顯著的提高。隨著水介質(zhì)壓力的增大，水介質(zhì)的脈沖擊穿場強(qiáng)也隨著增大；壓力越大，擊穿場強(qiáng)越高，在0.7MPa下，其擊穿場強(qiáng)由25.3MV/cm增大到46.7MV/cm。圖3-4中水介質(zhì)在壓力作用下?lián)舸﹫鰪?qiáng)提高的趨勢是一致的，但在相同壓力下其趨勢又有差異，這與液體介質(zhì)絕緣擊穿的復(fù)雜性有關(guān)。在壓力作用下水介質(zhì)擊穿場強(qiáng)均比由Martin的經(jīng)驗(yàn)公式估算得要高。對于非均勻場中水的擊穿場強(qiáng)計(jì)算的Martin公式為

101、</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中EE是擊穿場強(qiáng)（kV/cm）,與極性相關(guān)；A為場強(qiáng)大于最大場強(qiáng)的90%的那部分電極面積（cm2）；t為高于最大電壓63%的時(shí)間（μs）。實(shí)驗(yàn)是正極性情況，A≈0.51cm2，t≈1.092μs，計(jì)算出其擊穿場強(qiáng)E≈23.3MV/m，與實(shí)驗(yàn)測得0.1MPa下的擊穿場強(qiáng)25.3MV/m基本吻合。但在

102、同樣條件下水介質(zhì)在0.7MPa時(shí)的擊穿場強(qiáng)提高了近一倍。</p><p>　　圖3-3 實(shí)驗(yàn)作用在間隙上的電壓波形</p><p>　　圖3-4 間隙擊穿后的電壓波形</p><p>　　圖3-5 實(shí)驗(yàn)測試水的脈沖擊穿場強(qiáng)與壓強(qiáng)的關(guān)系</p><p>　　現(xiàn)在從理論上分析一下壓力對脈沖擊穿場強(qiáng)的影響。由前面擊穿機(jī)理中的氣泡擊穿理論可知，當(dāng)電極

103、附近由于焦?fàn)枱嵝纬蓺馀莺?，剛開始?xì)馀輧?nèi)的壓力很大，氣泡就快速的擴(kuò)張，直到氣泡內(nèi)壓力減小到與氣泡外液體壓力相等，同時(shí)由于氣體的擊穿場強(qiáng)比液體低得多，所以氣泡先開始電離，這又使氣泡溫度升高、體積膨脹，電離將進(jìn)一步發(fā)展；而帶電粒子又撞擊液體分子，使液體又分解出氣體，擴(kuò)大氣體通道。如果電離的氣泡在電場中堆積成氣體小橋，擊穿就在此通道發(fā)生了。然而，由于水介質(zhì)的壓力的增大，它阻礙了氣泡的進(jìn)一步擴(kuò)張，同時(shí)它也提高了氣泡游離的初始場強(qiáng)，從而提高了介質(zhì)的

104、擊穿場強(qiáng)[27]。從圖3-5中還可以看出，在相同條件下，壓力水介質(zhì)的電阻率變化對水介質(zhì)的擊穿電壓影響較小。</p><p>　　變壓器油的重頻納秒高壓脈沖擊穿方法</p><p>　　高壓納秒脈沖下變壓器油的擊穿研究已經(jīng)開展多年，取得了一定的成果。由于電源的限制，重頻納秒脈沖下變壓器油擊穿特性的研究很少。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，研究重頻下材料絕緣特性的客觀需求越來越迫切，相關(guān)的電源技術(shù)也逐

105、漸成熟。中國科學(xué)院對重頻納秒高壓脈沖下變壓器油的脈沖擊穿進(jìn)行研究[28]。該實(shí)驗(yàn)的研究有助于了解重復(fù)頻率、脈沖寬度和擊穿場強(qiáng)的關(guān)系，對重頻脈沖下變壓器油的擊穿機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。</p><p>　　3.2.1實(shí)驗(yàn)方法概述</p><p>　　圖3-6 實(shí)驗(yàn)線路圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)線路圖如圖3-6所示。脈沖發(fā)生器的輸出電壓為50~200kV；脈沖寬度為20

106、~30ns；頻率為1~1000Hz分檔可調(diào)；電壓幅值波動(dòng)±3%，電壓輸出波形（包絡(luò)線）如圖3-7所示。電壓測量采用電容分壓器，分壓比4780；電流測量采用分流器。波形采集用Tek684A示波器，示波器采用單次觸發(fā)模式（電流觸發(fā)）。與單次脈沖放電不同，重頻脈沖下的放電是在施加重頻電壓后的某個(gè)脈沖時(shí)擊穿，因此需要測量重頻耐受時(shí)間t，通過耐受時(shí)間可以推斷間隙是在施壓后的第幾個(gè)脈沖下?lián)舸┑?。重頻耐受時(shí)間的記錄由TDS3054B示波器完