1、本科毕业论文（20 届）脉冲电场作用下液体击穿现象研究进展所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -脉冲电场作用下液体击穿现象研究进展摘要脉冲电场下液体绝缘介质击穿特性是脉冲功率技术应用的基础，了解脉冲电场下液体介质击穿特性影响因素及液体击穿特性参数理论，目的是为高功率脉冲源的小型化设计提供绝缘依据。高功率超宽带脉冲的产生、变换及传输中大量使用液体绝缘介质，其性能的好坏是高功率系统能否稳定运行的重要影响因素之一。目前国内外对ns级以及脉冲电场下液体介质绝缘特性尚缺乏充足的实验数据，无法依据现有的资料构建该时间量
2、级下液体介质击穿机理理论框架，且击穿电压的确定尚无公认的公式。液体、固体具有较高的介电强度，用于液体或固体绝缘材料的高压系统的工作电场强度比气体绝缘材料更高。液体比固体有更多的优势，因为液体能够循环利用，特别适合应用到复杂的几何结构上。在这些液体中，水和变压器油被普遍应用于高压脉冲功率系统中。本文给出了脉冲电场作用下液体介质击穿的影响因素及液体介质击穿的经典公式，液体介质击穿机理的最新进展及成果：电子理论、气泡理论和杂质击穿等。分析液体介质击穿机理，归纳出液体介质的击穿过程及击穿模型。通过研究人对液体介质的击穿特性的归纳有助于揭示液体介质击穿的本质特性。关键词：短脉冲；液体绝缘介质；击穿特性；
3、击穿机理哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Progress of liquid dielectric breakdown under pulsed electric fieldAbstractThe short-pulsed liquid dielectric breakdown characteristic is the basis of the application of pulse-power technique. The influencing factors on breakdown characteristic and the theoretical prediction o
4、f breakdown characteristic parameters in liquid dielectrics is presented in order to provide some useful reference for 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 insulting
5、property is an important influencing factor. But, now there arent enough experimental data for the study of short-pulsed dielectric breakdown in liquid to establish related theoretical frame, and there isnt accepted formula to calculate the breakdown voltages of liquid dielectrics.The operating elec
6、tric 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 solids in that they can be circulated and are particularly suited to applications inv
7、olving complex geometries. Among the liquids, water and oils are most commonly used for insulation in high voltage pulsed systems.The article summarizes the new progresses and the relevant fruits about the study of breakdown mechanism in liquid dielectric. The breakdown mechanism comes from differen
8、t theories such as electron theory, 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 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -of three typical liquid dielectrics under DC, single pulse and repetit
9、ive burst conditions, the effect of pulse duration on breakdown strength of transformer oil and so on. The empirical formula to express the electrical breakdown data of three liquid dielectrics under short-pulsed conditions is corrected. The breakdown properties of liquid dielectric are easily influ
10、enced by experimental conditions, so that to this day no theory can explain all experimental observations.Keywords：short-pulsed； liquid dielectrics；breakdown characteristic；breakdown mechanism哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 论文研究的背景和意义 .11.2 脉冲电场下液体介质击穿的研究现状 .21.2.1 短脉冲下液体介质影响因素研究
11、进展 .21.2.2 短脉冲击穿特性参数的研究进展 .71.3 本文研究内容 .8第 2 章 液体介质击穿的基本机理 .102.1 液体介质击穿机理 .102.1.1 电子理论 .102.1.2 气泡放电 .122.1.3 杂质击穿 .132.2 快脉冲介质击穿发展过程 .132.2.1 集结点的形成和低密度区的生长 .142.2.2 电子碰撞电离及电离前方的蔓延 .142.2.3 集结准则和击穿 .152.3 快脉冲介质击穿模型 .152.4 本章小结 .16第 3 章 脉冲电场作用下不同液体的击穿 .183.1 压力水介质的高压脉冲击穿方法 .193.1.1 实验方法概述 .193.1.2
12、 实验结论概述 .203.2 变压器油的重频纳秒高压脉冲击穿方法 .223.2.1 实验方法概述 .223.2.2 实验结论概述 .233.3 其他液体的高压脉冲击穿方法 .253.3.1 实验方法概述 .263.3.2 实验结果概述 .263.3 击穿时延小于 5ns 的击穿经验公式 .303.4 本章小结 .31结论 .32致谢 .34参考文献 .35哈尔滨理工大学学士学位论文- V -附录 .39哈尔滨理工大学学士学位论文- 1-第 1 章 绪论1.1 论文研究的背景和意义随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论和等离子体技术等的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术得到重视和迅速的发
13、展，并逐渐成为一门独立学科的新兴技术领域。脉冲功率技术具有这样的特点：它将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上 1。绝缘问题是该技术中的关键问题之一，是系统稳定运行、轻量化和小型化的重要因素。对于同轴结构的超宽带高功率微波（UWB HPM）源，横向电场在很大程度了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 UWB HPM 系统功率正朝大功率、高重复频率、短脉宽及轻量化方向发展，而这些指标的实现依赖于系统的绝缘特性 2。液体介质作为绝缘材料以其特有的物理和电特性在脉冲功率技术中得到
14、广泛应用。国内外对液体介质的物理过程和击穿机理的研究已经持续了几十年。但由于液体本身的化学复杂性和多样性，增加了快速脉冲下理解液体介质基本击穿过程和机理的难度。液体具有比固体更多的优势。液体可以循环，能有效处理击穿瑕疵的修复工作，尤其适用于复杂的几何结构。在脉冲功率领域中，根据液体应用背景差异，其研究的侧重点也就不同。液体作为储能介质时，学者们研究的重点是提高液体击穿场强的措施和发展新的高击穿场强液体；用作开关介质时，侧重研究液体的击穿及恢复过程。液体的高击穿场强使液体开关间隙小、电感低，因而更紧凑。液体开关的发展在很大程度上取决于对液体介质击穿特性的研究。脉冲功率技术不断发展，人们利用纳秒高
15、功率脉冲使得液体击穿时延进入纳秒量级，极大地减弱了因电压作用时间长以及电极表面物理化学反应对击穿的影响。但目前国内外学者们对液体介质绝缘特性的研究尚缺乏充足的实验数据，无法依据现有的资料构建有关液体介质击穿的理论框架，介质击穿电压的确定尚无公认的计算公式，尤其是在短脉冲条件下的击穿特性。这已大大阻碍了超宽带高功率器件的最佳设计，制约了超宽带源小型化的发展。为此，世界各主要国家正致力于从多方面开展绝缘介质击穿特性研究。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2-1.2 脉冲电场下液体介质击穿的研究现状固体和气体介质击穿已有相对成熟的击穿模型和机理，但学者们研究多年的液体介质击穿至今仍无合理的击穿机理能够解
16、释所有实验现象。了解液体介质击穿的影响因素及经验公式有助于对液体介质击穿本质的理解。1.2.1 短脉冲下液体介质影响因素研究进展（1）电压极性研究人员采用点球电极、300ns/3ms 脉冲电压研究烷烃击穿特性时得出，一般正流柱呈树枝状，以超声速增长，负流注呈刷状，以亚声速传播，电压由低变高，超声波击穿更易发生，在相对大的间隙里，有时会从亚声波转化为超声波流注速度，但绝不会反向转化 3。之后研究人员又利用变压器油（粘度 410-5m2/s）及两种硅油（粘度10-5m2/s 和 10-3m2/s） 、23mm 尖板电极间隙、几百 ns 脉冲电压时以及利用白矿物质油、0.62.5cm 尖板电极间隙、
17、 （0.8/2500 ） s 脉冲电压做试验，发现正流注速度随间隙距离 d 的减小或外施电压 U 的升高而增大，正流注以常数速度通过间隙；负流注速度小于正流注，不是以常数速度通过间隙。利用上升时间 400ps、脉宽 3ns、幅值 700kV 的脉冲电压，24mm半球电极间隙时发现，变压器油击穿的电压极性效应来自间隙击穿过程中空间电荷的影响。尖电极为负的电压比尖电极为正的电压击穿值高 50%，击穿时延越短，差值越大。学者们发现流注传播电压极性效应明显，正负流注有不同发展阶段和传播速度，受外加电压幅值、周期、针电极曲率、间隙、液体介质种类、粘度、有无添加物等的影响，不同阶段占据不同的发展时间比例。
18、（2）分子结构随着先进测量工具和提纯技术的出现，研究液体分子结构对电击穿的影响成为可能。学者们开始关注不同分子结构的新型合成液体绝缘介质，并将注意力聚焦在苯及其衍生物上。意大利罗马大学电气工程学院 4研究了 6 种新型合成液体电介质的传导和击穿特性（见表 1-1 所示） 。6 种合成液体分子结构组成分别为：MODBT 有三个 DBT 苯环，通过两个碳原子连接；DTE 有两个苯环，通过一个氧原子连接；DINP 仅仅有一个苯环，因此形成稳定负离子能力有限；PXE 有两个芳香环，通过一个碳原子连接；PFPE 没有环； PPMS 有一个苯环和一个固定的小磁偶极距。若是仅从分子结构中是否存在苯环及苯环数
19、量来考虑，MODBT 应具有最高绝缘强度，PFPE 绝缘性最差。苯环具有电负性，容易吸收一个或两个表 1-1 不同液体的电参数及击穿电压哈尔滨理工大学学士学位论文- 3-试验液体 介电常数 介质损耗 tan 电导率（ps/cm ） 击穿电压 （kV）MODBT（二卞甲苯） 2.650 0.00044 0.25 102DTE（二甲苯醚） 3.657 0.00173 4.70 105DINP（酞酸盐） 4.776 0.0125 33.00 58PXE（二甲苯乙烷） 2.621 0.00058 0.04 87PFPE（全氟聚醚） 2.082 0.00026 0.04 44PPMS（硅氧烷） 2.66
20、2 0.00017 0.02 75额外电子形成稳定负离子，从而降低绝缘介质击穿的可能性。实际上，MODBT 和 DTE 确实有相对高的击穿电压，但却没有相对低的电导率；PFPE 的击穿电压非常低，但其电导率和介电常数一样很低，这种现象用常规理论难以解释。此外，与杂质相比分子结构对脉冲电导率影响较小，但对介质的击穿影响很大。可以解释为：特殊的结构或电负性苯环的存在使电荷的传输在电击穿过程中起着重要的作用。学者们的研究都在较低的电场强度下测量电导率，而介质击穿涉及较高电场，因此学者们在高压脉冲下对不同分子结构的液体介质进行研究时，在某种程度上其低场传导率并不能准确地表征介质的击穿特性。（3）液体静
21、压和液体电导率美国纽约理工大学韦伯研究所 5研究了高压脉冲下液体静压和液体电导率对去离子水溶液电击穿的影响。研究显示：随着静压的增加，击穿时间增长，离子电流对击穿开始的贡献很小，而液体电导率与击穿时间无关。学者们对实验结果进行统计分析后提出两种解释：1）热过程与液体微秒时间量级下的击穿有关。用液体静压和电导率对液体击穿场强的影响来支持有关热过程的论断：静压力的影响表明气泡的存在，液体中出现局部加热，气泡内电子碰撞电离的可能性比较高。增加液体电导率，因此增大预击穿电流，可以促进气泡的生长，增大介质击穿可能性；2）气泡作用太慢以至于无法解释纳秒脉冲作用下水的击穿。认为电子过程对纳秒击穿起主导作用。
22、纳秒脉冲下电离前沿蔓延速度小于电子漂移速度。暗示有一个不同于电子碰撞电离的作用机理阻止了前沿的发展。对于第二种论断争议较大，已有实验证明：纳秒电场中液态水的电离系数 0，即液态阶段的水并不产生电子雪崩，随静压的增加击穿时延 t变长，从而得出气泡机理是水中纳秒击穿的一个重要因素。bd（4）电极表面和液体化学组成自从五十年代以来，水在高压使用方面引起了人们很大的兴趣。美国德克萨斯科技大学电气工程学院 6脉冲功率实验室尝试用各种技术改变电极表面或水的化学组成，观测高压脉冲下水的击穿过程是否会受影响。首先在两电极内安装小磁铁，结果发现磁场对击穿电压和击穿时间影响很小。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4-
23、电极上涂聚合物薄层证明是有用的，但是没有得出正式的结论；阳极氧化铝电极增加 15%的耐压水平。由于 SF6 具有电负性，其广泛应用于脉冲功率领域。在火花间隙开关中，常使用 SF6 来增加开关的电压阈值。当较低能量的电子通过间隙时被气体捕获，因而增加了火花间隙的开关阈值。由此激发了学者们在水中混合 SF6 和 HCL 来观测其对水击穿影响的研究：加 SF6 到水中，最初一组实验击穿时间 t 明显的增加，随后的两组实验 t 没有增加，实验结果无bd bd法恢复；水中加 HCL，减小了预击穿过程中水的电导率，但随着 HCL 浓度的增加，水的击穿电压降低，但击穿时延增加。如果像俄罗斯实验模型中所提到：
24、质子运动建立了放电，那么具有电负性的 SF6 对放电便无影响。但启发可使用电正性气体的想法。如果较大的磁场会影响水分子和质子相互作用而形成水合氢离子的能力，从而破坏了水中正在形成的电流通道，提高了水的耐压。磁场对真空高压器件起到了有效的屏蔽作用，同样水中也存在同样的物理机制。增加磁场强度，将会提高水的绝缘场强。（5）外施脉冲电压峰值及作用时间随着高速摄影技术的使用，学者们对液体介质外施电压的瞬时表现进行更加详细的研究。美国北极星研究中心 7对 1.5ns3ns 脉冲持续时间下变压器油的击穿场强进行测量（测得值为 5MV/cm） 。用实验数据外推法提出了经验定则：外施脉冲电压的作用时间减小 10
25、 倍，变压器油的击穿场强增加约 1.5 倍。进而预测在 200ps 的脉冲宽度下变压器油的击穿场强在1012MV/cm 范围内。外施脉冲峰值电压的增加并不会有效地改变实际的击穿电压，进一步增加脉冲幅值也不会影响击穿过程。从统计意义上讲，脉冲幅值增加 25%并不会引起击穿时间的改变。显然，这种陈述对发生在脉冲后沿的击穿过程是受限制的。（6）间隙距离均匀电场中击穿电压与间隙距离的比值并不是常数，而是随着间隙距离的增大而单调非线性增加。但对短脉冲下、非均匀电场中是否存在类似的相关性并不清楚。美国 8对纳秒脉冲下，针-板电极间两种全氟聚醚、变压器油和硅油的击穿特性进行研究。对两种全氟聚醚研究时提出了临界间隙：小于这个临界距离，正极性针-板电极间击穿电压大于负极性；大于临界间隙时，正好相反，如图 1-1 所示。对于硅油和变压器油，在所有实验间隙距离下，针-正总是比针- 负的击穿电压低，即极性不同时，击穿电压的间隙曲线也不会交叉，如图 1-2 所示。上述四种绝缘油，击穿时间与间隙距离的关系曲线在针极性不同时都没有发生交叉，且针-负极性时的曲线总是位于针-正极性的曲线之上，如
