纳秒脉冲等离子体炬处理绝缘材料表面提高击穿阈值研究

真空/变压器油等固体绝缘材料的沿面闪络现象严重制约着脉冲功率器件的性能和发展，提高绝缘材料表面耐压性能具有重要意义，基于低温等离子体技术处理绝缘材料表面提高沿面击穿阈值是一个值得深入研究的课题。本项目通过设计新型结构的纳秒脉冲等离子体炬，获得有机玻璃等固体绝缘材料表面超疏水性结构，实现在真空/变压器油中沿面耐压性能的提高。改变放电参数、电极结构及处理媒介等研究超疏水表面的变化规律，得到不同超疏水参数下的表面耐压性能影响因素，获得提高有机玻璃表面超疏水性和击穿阈值的指导原则和技术基础。采用包括表面粗糙度、表面成分分析、二次电子发射系数及表面解吸附气体等多参数测试手段分析，结合理论仿真计算研究超疏水性绝缘子表面提高击穿阈值的机理。本项目的研究成果可用于指导真空/变压器油中固体绝缘设计和优化，保障高功率脉冲设备安全运行和推进设备的小型紧凑化。

复合绝缘系统中包含固体、气体或液体等不同形态的电介质，这些不同形态电介质的交界面很容易发生沿面闪络现象，严重制约着器件的性能。本项目研究了低温等离子体处理绝缘材料表面，进而提高材料表面耐压能力的方法。利用设计搭建的单根射流憎水改性实验平台、射流阵列亲水改性实验平台和介质阻挡放电憎水改性实验平台，在有机玻璃(PMMA)表面形成了具有憎水或亲水特性的微-纳结构。利用不同的脉冲电源，在不同处理媒介，不同实验参数下研究了憎水改性效果和亲水改性效果的变化，得到了各参数对改性效果的影响规律，得到了能够获得最优改性效果的实验条件，并研究了不同改性条件下被改性材料的老化特性。分别利用纳秒脉冲电源MPC-50D和微秒脉冲电源CMPC-40D作为激励研究了改性后材料真空沿面闪络电压的提高情况，实验结果表明在1.5 mm间隙下，利用纳秒脉冲电源MPC-50D作为激励时，最优憎水改性后(水接触角达到100°)PMMA材料的真空沿面闪络电压提高了57.9%，利用微秒脉冲电源CMPC-40D作为激励时，最优憎水改性后的PMMA材料的真空沿面闪络电压提高了34.5%；利用纳秒脉冲电源MPC-50D作为激励时，最优亲水改性后(水接触角达到15°)PMMA材料的真空沿面闪络电压提高了56.4%；利用微秒脉冲电源CMPC-40D作为激励时，最优亲水改性后的PMMA材料的真空沿面闪络电压提高了70.7%。进一步实验结果表明，经过憎水或亲水处理的PMMA材料在去离子水和变压器油中的沿面耐压能力也得到了大幅度提高。利用AFM、FTIR和XPS等手段得到了改性前后PMMA材料表面成分以及表面粗糙度的变化情况；利用光谱仪测量了不同气氛条件下脉冲放电产生的光谱情况；利用质谱仪测量了材料表面解吸附气体的成分。结合对管-板电极和针-网电极弥散放电特性的研究，一方面分析了纳秒脉冲放电机理，另一方面分析了利用脉冲放电产生低温等离子体处理材料表面提高沿面耐压特性的机理。本项目的研究成果可用于制作具有高沿面耐压能力的绝缘材料，将该材料用于高压设备中可有效的提高设备性能，延长设备寿命，保障高压设备的安全运行。