液氦、液氮温区真空及低气压放电特性研究

Fusion energy is one of the main sources for future energy supply, ITER plan is the most important step for the fusion technology. The electrical insulation system is one of the key parts for the large superconducting apparatus like ITER, superconducting cable and transformers, and the failure of electrical insulation system under the low temperature (Liquid Helium or Liquid N2 ) is one of the main reasons to limit the reliability of superconducting apparatus. This proposal tries to investigate the discharge and/or flashover properties in vacuum, low pressure circumstances, mainly considering the varied temperatures, different electrode materials and different surface of electrodes. And the aims are to find the change laws of the discharge and/or flashover in vacuum and low temperature circumstance, furthermore, try to explore the mechanism of the low temperature effect on the discharge properties. The finish of this proposal is very help to improve the reliability of the superconducting apparatus.

核聚变能源是未来能源的主导形式之一,ITER计划是实现聚变能商业化的一个重要的阶段。在ITER(国际热核聚变计划)装置以及超导电力等应用中,大型导磁体等超导设备的绝缘系统是必不可少的一个重要部分，运行在液氦或液氮温区附近的绝缘结构失效是引起大型超导装备和设备故障的主要原因。本申请针对ITER装置中亟需解决的低温真空、低温低气压条件下的放电击穿特性、常用低温绝缘材料的沿面闪络特性开展研究，力图寻找低温低气压、低温真空环境下放电特性和规律以及低温低气压环境下常用绝缘材料沿面闪络规律，探索低温对低温真空放电特性、低温低气压放电特性以及低温真空、低温低气压材料沿面闪络的影响机理，获得低温真空、低温低气压下绝缘特性相关基础数据,为ITER等大型超导装备的可靠设计和运行提供参考。

在ITER(国际热核聚变计划)装置以及超导电力等应用中，大型导磁体等超导设备的绝缘系统是必不可少的一个重要部分，运行在液氦或液氮温区附近的绝缘结构失效是引起大型超导装备和设备故障的主要原因。本项目针对ITER装置中亟需解决的低温真空、低温低气压条件下的放电击穿特性、常用低温绝缘材料的沿面闪络特性开展研究，取得主要成果如下：. 对低温环境下均匀电场真空间隙击穿研究发现，在10-300 K温度度范围内，击穿场强随着温度的下降出现先上升后下降的趋势，分析发现击穿场强的变化规律与电极表面吸附气体在各个温度下的解吸附程度有关。. 在10-300 K温度范围内，100Pa-100 kPa气压范围内，氦气击穿电压与电极间距和气体分子密度的乘积存在U形曲线关系；最小击穿电压随着温度降低出现先升高后降低的变化规律。电极材料对氦气放电及击穿的影响较为显著，在较低气压范围内，较小的电极间距导致解吸附气体对击穿电压的降低作用更为明显，而在低温环境和较高气压范围内，气体密度对电子倍增的影响则占主导地位。由气体自持放电判据出发分析低温环境下放电参数的变化规律，得到电离截面与温度的关系，其变化规律与相同气体分子密度下击穿电压随温度的变化规律一致。. 在25-300 K温度范围内对聚酰亚胺薄膜真空沿面放电研究发现，首次沿面闪络电压在225 K附近存在微小下降，稳定闪络电压在温度降至25 K的过程中稳定提升；在6-300 K温度范围内，低温对两种环氧基复合材料的沿面闪络电压存在不同程度的提升作用，较低介电常数以及较小陷阱密度的环氧基复合材料在低温下闪络电压提升越高。. 对低气压环境下聚酰亚胺沿面闪络研究中发现，在78-300 K温度范围，10-3k Pa的气压范围内，闪络电压与气压呈U形曲线关系。在相同气压下，低温对闪络电压有提升作用，且气压越低，提升作用越明显。. 本项目获得的低温低气压、低温真空环境下放电特性和规律以及低温低气压环境下常用绝缘材料沿面闪络规律，为ITER等大型超导装备的可靠设计和运行提供参考。