纳秒脉冲下准均匀场中绝缘材料累积击穿机理研究

Solid insulation materials mostly suffer bulk breadown due to a number of pulses under nanosecond or sub-nanosecond time scales. Obtaining the cumulative breakdown images of solid insulation materials in quasi-uniform electric field under short pulses and researching the mechanism are helpful for enhancing the lifetime of insulators, and also for the miniaturization of pulsed power systems. By investigating the relevant experimental and theoretical results on the breakdown characteristics of solid dielectrics under nanosecond pulses, an experimental setup which can output short pulses and can record the discharge channel in test samples in an on-line way is to be established in this project. With common transparent insulation materials such as PMMA and PS, the cumulative breakdown images under quasi-uniform electric field will be obtained, and the cumulative breakdown characteristics will also be generalized. By referring to the aging and breakdown theories of solid dielectrics under dc, ac, and microsecond time scales, such as the dissociation of polymers long-chain molecules, void discharge, and heat accumulation, the generalized characteristics should be analyzed; in addition, the cumulative breakdown mechanism should also be concluded. The experimental and theoretical results of this project will present principles on solid insulation design for high-voltage devices, especially for the pulsed power systems.

纳秒及亚纳秒等短脉冲下固体绝缘材料的失效多表现为耐受一定脉冲数后的体击穿。获得短脉冲下准均匀电场中固体绝缘材料的累积击穿图像并研究其击穿机理，对提高绝缘材料的寿命以及实现脉冲功率装置的小型化具有现实意义。本项目拟在充分调研短脉冲条件下固体绝缘材料击穿相关实验及理论的基础上，建立一套可在线观测绝缘材料内部放电通道发展的透射式显微镜成像装置，以实际中常用的有机玻璃、聚苯乙烯等透明材料为测试对象，从实验上获得准均匀电场条件下绝缘材料内部放电通道发展的物理图像，并根据图像概括出击穿发展的特征。结合直流、交流以及微秒脉冲下绝缘材料老化击穿已有的理论，包括电极电子注入、气隙充放电以及能量沉积等，对所归纳的特征进行分析，力图概括出短脉冲下绝缘材料累积击穿发展的内在物理机制。本项目的研究结果将为高压装置，尤其是脉冲功率装置中的固体绝缘设计提供参考依据。

在脉冲功率装置中，固体绝缘介质是不可缺少的组成部分。随着脉冲功率技术向“高功率、高重复频率和小型化”方向发展，如何避免绝缘材料在纳秒及亚纳秒等短脉冲条件下发生击穿现象，成为一个亟待解决的问题。.为研究纳秒脉冲下绝缘材料的累积击穿现象和寿命问题，本文首先基于Tesla 变压器技术路线，建立了输出参数为电压幅值300 kV、脉宽10 ns、最高重频10 Hz 的纳秒脉冲实验装置，为本文开展的相关实验奠定基础。其次建立了可在线诊断绝缘材料内部放电通道发展的透射式显微镜成像装置，以脉冲功率领域常用的有机玻璃、聚苯乙烯等材料为对象，完成了纳秒脉冲下有机玻璃的累积击穿实验，首次获得了近似均匀场中有机玻璃放电通道发展过程的完整物理图像。结合图像，归纳了该条件下绝缘材料的累积击穿特征，包括：始于阴极附近、呈树枝状向阳极发展、击穿后的通道呈孔洞状以及通道增长具有先慢后快的特点。.分析了电极电子注入、聚合物长链断裂、气隙充放电以及能量沉积等因素在放电通道增长过程中的作用，概括了纳秒脉冲条件下绝缘材料的累积击穿机制。结合累积击穿机制，提出应该将电极与绝缘材料看成一个系统，应当从系统的角度来提高绝缘材料的寿命。具体可行的办法除传统的电极抛光外，还有如下方法：（1）在电极与介质分界面增加击穿阈值较高的绝缘膜；（2）在介质表面镀金属膜。实验证明，这两种方法可以将绝缘材料的寿命提高至少1个量级。同时，针对体绝缘材料随厚度阈值下降较快的问题，提出了“多膜热压绝缘材料”，该材料相对传统的体绝缘材料，寿命仍然会有大幅度提高。