西安交通大学9XI'ANJIAOTONGUNIVERSITY绝缘沿面放电闪络-II真空中固体介质表面放电的诊断、机理及抑制技术西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1896
绝缘沿面放电闪络-II ——真空中固体介质表面放电 的诊断、机理及抑制技术 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心
目录1研究背景真空中固体介质表面放电现象2诊断及物理机制电荷固体介质二次电子发射、3陷阱、气体解吸附特性基于材料选型和结构优化的4表面放电抑制技术-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 目 录 固体介质二次电子发射、电荷 陷阱、气体解吸附特性 真空中固体介质表面放电现象、 诊断及物理机制 4 3 2 基于材料选型和结构优化的 表面放电抑制技术 1 研究背景
背景：了真空-固体复合绝缘的应用LIA类似装置电真空径向绝缘支撑电真空LIA注入器器件真空断路器电力系统真空Z箍缩真空固体类似装置开关设备绝缘技术轴向绝缘堆Z-Pinch绝缘堆航天器其它各种绝缘脉冲功率器件材料HPM介质窗-3-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- 背景：真空-固体复合绝缘的应用 其它 脉冲功率器件 电力系统 LIA类似装置 Z箍缩 类似装置 径向绝缘支撑 轴向绝缘堆 真空 开关设备 真空固体 绝缘技术 LIA注入器 Z-Pinch绝缘堆 真空断路器 HPM 介质窗 电真空 电真空 器件 航天器 各种绝缘 材料
真空表面放电现象（1）一航天器充放电和微放电破坏高低高电场/带电高真空温粒子轰击微放电是口带电粒子轰击引起的充放电、美国NASA统计326次航天器事故导致航天器故障的主要原因辐照损伤其他原因放电事故太阳电池帆板12.04%5.35%资料来源：>50%504所静电放电54.18%单粒子效应28.43%帆板驱动机构资料来源：NASA口我国多颗导航、通信卫星在轨运行放电破坏微波器件或地面实验中多次发生放电破坏口其中2010~2015年，我国某关键地球同步轨道卫星发生44次与空间环境相关放电异常真空中固体绝缘放电是影响航天器性能的关键因素-4-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 真空表面放电现象(1)— 航天器充放电和微放电破坏 p我国多颗导航、通信卫星在轨运行 或地面实验中多次发生放电破坏。 p其中2010~2015年，我国某关键地球 同步轨道卫星发生44次与空间环境 相关放电异常。 高真空 高低 温 高电场/带电 粒子轰击 p 带电粒子轰击引起的充放电、微放电是 导致航天器故障的主要原因 放电事故 >50% 资料来源： 504所 美国NASA统计326次航天器事故 资料来源： NASA 真空中固体绝缘放电是影响航天器性能的关键因素！
真空表面放电现象（2）一脉冲功率装置的真空-固体绝缘放电多种绝缘介质：电工陶瓷、聚合物等高真空高电场/带电粒子轰击穿越不同介质的功率流密度~33mEBDPmas介质类型8,O-nel(MV/m)(TW/m2)水80751~2130~270真空401~104.2~421塑料2.310012480真空-固体绝缘15L15界面惯约VISPFLMarxVertical TriLaserSwitchplate TL聚变区体击穿场强沿面闪络场强NMaR阳极anodePFLa影响因素繁多真空沿面放电闪络物理过程复杂PFL机理认识不清Switch工程应用受限PFLMIR真空水介质！阴极cathode绝缘结构紧性（提高工作场强、减小结构电感）真空沿面绝缘放电是瓶颈！专论》-5-XianJiaotons
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 真空表面放电现象(2)—脉冲功率装置的真空-固体绝缘放电 Marx IS Laser Switch Vertical Tri- plate TL Water convolute MITL & load VIS PFL ~ 33 m ~ 6 m Marx IS Laser Switch PFL Water Switch Tri-Plate TL Marx IS Laser Switch PFL Water Switch VIS MITL DPHC Load . . . . . . 1 12 Marx IS Laser Switch PFL Water Switch Tri-Plate TL Marx IS Laser Switch PFL Water Switch . Oil Water Oil Water 水介质 真空 Water . . . . . . convolute 穿越不同介质的功率流密度 绝缘结构紧凑性(提高工作场强、减小结构电感) 真空沿面绝缘放电是“瓶颈”！ 沿面闪络场强 << 体击穿场强 影响因素繁多 物理过程复杂 机理认识不清 工程应用受限 真空沿面放电闪络 介质类型 εr EBD (MV/m) αnet Pmax (TW/m2) 水 80 75 1~2 130~270 真空 1 40 1~10 4.2~42 塑料 2.3 100 12 480 真空-固体绝缘 界面 1 15 15 7 惯约 聚变区 高真空 高电场/带电粒子轰击 多种绝缘介质：电工陶瓷、聚合物等
目录研究背景真空中固体介质表面放电现象2诊断及物理机制、电荷固体介质二次电子发射、3陷阱、气体解吸附特性基于材料选型和结构优化的表面放电抑制技术-6-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6- 目 录 固体介质二次电子发射、电荷 陷阱、气体解吸附特性 真空中固体介质表面放电现象、 诊断及物理机制 4 3 2 基于材料选型和结构优化的 表面放电抑制技术 1 研究背景
概念与内涵一固体绝缘沿面放电/闪络口 Nobel奖获得者、著名物理学家泡利(W.E.Pauli)曾说“上帝创造了固体，魔鬼创造了表面固体绝缘沿面放电/闪络影响因素复杂，是界面、表面和外在因素综合作用的结果电极-绝缘体界面外在因素三结合点处电场畸变真空度介电常数外加电压类型电极结构温度电极与绝缘体接触方式X磁场(MFI)...绝缘体表面·介质表面理化特性宏观（表面形状、粗糙度和形貌均匀性.）微观（表面晶粒大小、成分均匀性、缺陷、残余应力和吸附气体..表面电学参数（表面电阻率、陷分布、二次电子发射率、表面能、功函数..）高部电场过高是造成固体表面绝缘的耐电性能薄弱的主要原达绝缘失效沿面闪络、-7-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- 概念与内涵—固体绝缘沿面放电/闪络 固体绝缘沿面放电/闪络影响因素复杂，是界面、表面和外在因素综合作用的结果。 绝缘体 v 介质表面理化特性 l 宏观（表面形状、粗糙度和形貌均匀性 .） l 微观（表面晶粒大小、成分均匀性、缺陷、残余应力和吸附气体. ） l 表面电学参数（表面电阻率、陷阱分布、二次电子发射率、表面能、功函数.） 电极-绝缘体 v 三结合点处电场畸变 v 介电常数 v 电极结构 v 电极与绝缘体接触方式 因素 v 真空度 v 外加电压类型 v 温度 v 磁场(MFI). l 局部电场过高是造成固体表面绝缘的耐电性能薄弱的主要原因 沿面闪络、绝缘失效 p Nobel奖获得者、著名物理学家泡利(W. E. Pauli)曾说“上帝创造了固体，魔 鬼创造了表面
2真空中固体介质表面放电诊断1.2电学信号：电压（分压器）、电流信号等高压光强测量：单光子计数系统、电子倍增电荷耦合设备套管电阻EMCCD(Andor，iXon-3897)、增强型电荷耦合设备ICCD分压器(PI-MAX)智物光谱诊断：光栅光谱仪(Andor，Shamrock303i)表面电荷测量：Trek341B系统二次电子发射系数测量：自制，电子枪KimballEGL2022(50eV~5000eV）MLKNR0101MEDDI电信号光信号数字档号mE-taICCDEMCCD单光子检测模块光子计数卡上位机程序牛界机表面电荷测量单光子计数系统结构示意光强测量(SC300-3B)ICCD外施电压21，电报制信号2元ICCD总发临号T空3：快门动单测信号反时镜MS光栅搭轮反时镜入射卖鸡闪络过程光强观测的ICCD设备光谱测量系统二次电子发射系数测量-8-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- 1.2 真空中固体介质表面放电诊断 Ø 电学信号：电压（分压器）、电流信号等 Ø 光强测量：单光子计数系统、电子倍增电荷耦合设备 EMCCD(Andor, iXon-3 897)、增强型电荷耦合设备ICCD （PI-MAX） Ø 光谱诊断：光栅光谱仪(Andor, Shamrock 303i) Ø 表面电荷测量：Trek 341B系统； Ø 二次电子发射系数测量：自制，电子枪Kimball EGL- 2022 （50eV~5000eV） 单光子计数系统结构示意 闪络过程光强观测的ICCD设备 光谱测量系统 光强测量 EMCCD ICCD 表面电荷测量 二次电子发射系数测量
1.3真空中固体介质表面放电物理机制理论模型1一真空中沿面闪络的双层发展过程模型类阴极发光国际公认二次电子发射雪崩(SEEA)模型一Boersch现状：1o闪络ELGL204拍摔吸册ASSEENZASEEA及电离神好电数10°价段A10表面深声水半阶段A+++++O+1000150050020002500O2CO电致入陷/脱陷电子注入绝缘材料空穴注入发光修提出了体内、体外双层过程表面层体内过程：较低电场下，电荷注入表面陷阱、脱测极的沿面矩高/mm氧化铝陶瓷表面的SSEE过程陷、复合，产生微弱电致发光U-145kVtegativ half-eye(a)19knegative half-cyclopositivehalf-cycle(/14.0kv表面上体外过程：较高电场下，存在稳态二次电子发射13positive belf-cyele18-13.0kV(~12.0 kV17（SSEE）过程，发生于SEEA之前，内二次电子与表S(11.01V~14.5kV16U~10.0kVt-13.0V面陷阱作用时的去激励/去电离过程产生类阴极发光19.0kv阶段A遵从：Schoky效应阶段B遵从：Fowler-Nordheim效应理论预测和实验验证：体内过程具有闪络抑制效应30ie3.73.4337.07.27.67.8E4E"(10°)光强vs.电场(APL2012,JAP2013,AIPAdvances2016,IEEETDEI2017-9-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- 1.3 真空中固体介质表面放电物理机制 氧化铝陶瓷表面的SSEE过程 现状：国际公认二次电子发射雪崩(SEEA)模型—Boersch,1962; Anderson,1980 闪络: 始于阴极电子发射、仅考虑表面上过程 理论模型1—真空中沿面闪络的双层发展过程模型 理论预测和实验验证: 体内过程具有闪络抑制效应 电致 发光 类阴极 发光 提出了体内、体外双层过程： l 表面层体内过程: 较低电场下，电荷注入表面陷阱、脱 陷、复合，产生微弱电致发光； l 表面上体外过程: 较高电场下，存在稳态二次电子发射 （SSEE）过程，发生于SEEA之前，内二次电子与表 面陷阱作用时的去激励/去电离过程产生类阴极发光。 (APL 2012, JAP 2013, AIP Advances 2016, IEEE TDEI 2017 光强vs.电场 阶段A遵从：Schottky效应 阶段B遵从：Fowler-Nordheim效应
1.3真空中固体介质表面放电物理机制理论模型2一真空沿面闪络阴极/阳极起始与发展的博奔模型1974年Anderson曾报道了阳极起始的闪络现象。目自前，关于闪络的起始及发展过程仍然存在争议，一方面影响了对闪络机理的认识，也影响了工程中绝缘结不同电极结构电极的曲率半径（单位：mm）构的优化设计。编号#+C#S#NC#BS#EA#NA#BNA10阴极Rc0.010.010.010.0(2.5极RA100.10.10.0100电板PTFE支架TII5mmmm样品PMMA底座（背板电极）PMMA底座（背板电极）(a)(b)样品样品样品样品样品阳极阳极目机阳极阴极阳极阴极阳极阴极起始soO(c) #NC(d) #EC(f) #EA(g)#NA(#BNA)(e) #S(#BS)不同电极结构的示意图-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 1.3 真空中固体介质表面放电物理机制 Anderson报道的阳极起始的闪络现象 1974年Anderson曾报道了阳极起始的闪络现象。目前，关于闪络的起始及发 展过程仍然存在争议，一方面影响了对闪络机理的认识，也影响了工程中绝缘结 构的优化设计。 编号 #NC #EC #S #BS #EA #NA #BNA 阴极RC 0.1 2.5 10.0 10 10.0 10.0 10.0 阳极RA 10.0 10.0 10.0 10 2.5 0.1 0.1 不同电极结构电极的曲率半径（单位：mm） 不同电极结构的示意图 理论模型2—真空沿面闪络阴极/阳极起始与发展的博弈模型