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纳秒脉冲下几种液态介质绝缘性能的比对

贾伟 陈志强 郭帆 李尧尧 祁宇航 程永平 杨天

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纳秒脉冲下几种液态介质绝缘性能的比对

    作者简介: 贾 伟(1978—),男,博士,从事脉冲功率技术及强电磁脉冲环境模拟与生成相关研究工作;host819@nint.ac.cn.
  • 中图分类号: TM 85

Comparison of insulation properties of several liquid dielectrics under nanosecond pulse

  • CLC number: TM 85

  • 摘要: 利用自行研制的纳秒脉冲实验平台(输出脉冲前沿30 ns,半宽百纳秒)与标准介电强度测试仪,对变压器油、甘油、去离子水、Galden HT200四种液体绝缘介质在直流与纳秒脉冲下的击穿特性进行了实验研究与结果比对,结果表明:在直流与纳秒脉冲下,Galden HT200均具有最高的击穿场强,且两种情况下均比变压器油高出40%以上;纳秒脉冲下,Galden HT200与变压器油的击穿场强均提高6.5~7倍,Galden HT200击穿过程耗时最短(ns量级),其次是变压器油(20 ns),然后依次为甘油(45 ns)和去离子水(70 ns);多次放电后,粘度系数最大的甘油更易在电极间隙处聚集碳化放电产物,粘度系数较小的Galden HT200和去离子水则无明显痕迹,但二者放电过程会产生明显的冲击波,多次放电后易造成间隙电极松动。
  • 图 1  纳秒脉冲实验平台系统组成

    Fig. 1  Composition of the nanosecond-pulse test platform

    图 2  平台典型输出电压波形和幅值

    Fig. 2  Typical waveform and amplitude of the output voltage of the test platform

    图 3  四种液体介质直流击穿数据

    Fig. 3  Breakdown data of four liquid dielectrics under DC

    图 4  四种液体介质纳秒脉冲击穿数据

    Fig. 4  Breakdown data of four liquid dielectrics under the nanosecond pulse

    图 5  四种液体介质的击穿实验波形

    Fig. 5  The breakdown waveforms of four liquid dielectrics under the nanosecond pulse

    图 6  液体介质击穿过程等效电路

    Fig. 6  Equivalent circuit for the liquid dielectric to breakdown

    图 7  50次持续击穿试验后油杯中绝缘介质的形态

    Fig. 7  Morphology of liquid dielectrics in standard oil cup after 50 times breakdown tests

    表 1  四种液体介质直流实验击穿数据

    Table 1  Breakdown data of four liquid dielectrics under DC

    dielectric mediarelative permittivitybreakdown votage(kV)relative deviation(%)breakdown field strength(kV/mm)
    transformer oil 1.87 39.3±4.7 12 15.7
    Galden HT200 1.83 55.7±6.8 12.2 22.3
    glycerol 31 5.3±0.07 1.3 2.1
    deionized water 80 5.2±0.02 0.4 2.08
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    表 2  四种液体介质纳秒脉冲实验击穿数据

    Table 2  Breakdown data of four liquid dielectrics under the nanosecond pulse

    dielectric mediabreakdown votage(kV)relative deviation(%)breakdown field strength(kV/mm)
    transformer oil 262.7±13.34 5.07 105.1
    Galden HT200 378.8±37.3 9.8 151.2
    glycerol 186.3±6.98 3.75 74.5
    deionized water 128.1±9.63 7.5 51.2
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    表 3  几种液体介质在20°C时的密度与粘度

    Table 3  Density and viscosity of several liquid dielectrics at 20°C

    density/(g/cm2viscosity/(m2/s)
    deionized water / Galden HT20011.01×10−6
    transformer oil0.895(5−10)×10−6
    glycerol1.25(0.458−1.19)×10−3
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-05
  • 录用日期:  2019-11-29
  • 网络出版日期:  2019-12-26

纳秒脉冲下几种液态介质绝缘性能的比对

    作者简介: 贾 伟(1978—),男,博士,从事脉冲功率技术及强电磁脉冲环境模拟与生成相关研究工作;host819@nint.ac.cn
  • 1. 西北核技术研究院 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安 710024
  • 2. 西安交通大学 电气绝缘与电力设备国家重点实验室,西安 710049

摘要: 利用自行研制的纳秒脉冲实验平台(输出脉冲前沿30 ns,半宽百纳秒)与标准介电强度测试仪,对变压器油、甘油、去离子水、Galden HT200四种液体绝缘介质在直流与纳秒脉冲下的击穿特性进行了实验研究与结果比对,结果表明:在直流与纳秒脉冲下,Galden HT200均具有最高的击穿场强,且两种情况下均比变压器油高出40%以上;纳秒脉冲下,Galden HT200与变压器油的击穿场强均提高6.5~7倍,Galden HT200击穿过程耗时最短(ns量级),其次是变压器油(20 ns),然后依次为甘油(45 ns)和去离子水(70 ns);多次放电后,粘度系数最大的甘油更易在电极间隙处聚集碳化放电产物,粘度系数较小的Galden HT200和去离子水则无明显痕迹,但二者放电过程会产生明显的冲击波,多次放电后易造成间隙电极松动。

English Abstract

  • 强电磁脉冲(EMP)具有辐射范围广、频谱宽、强度大等特点,对现代军事行动与日常生活中电子集成度越来越高的信息化装备构成巨大威胁[1-4]。早期研究证明,脉冲前沿越快,包含的高频成分越多,对装备造成损伤的概率越高[5-8]。因此,提升环境模拟装置输出脉冲前沿成为加强装备抗EMP指标考核的主要技术手段。相同电压等级下,要获得更快的脉冲前沿,就要求模拟器脉冲源具有更紧凑的结构,随之而来的是脉冲源内部结构及其开关部件绝缘性能的大幅提升[6,9-10]。液体介质因具有较高的击穿场强与良好的绝缘恢复能力,且适用于各种复杂几何结构,而成为紧凑型脉冲源绝缘设计过程中的主选介质之一[11]。本文选取市场上易于获取且电器绝缘中常用的液体介质变压器油(25#)、甘油(纯度≥99.7%)、去离子水(电阻率1~2 (MΩ·cm))以及一种曾用于EMP模拟装置输出开关绝缘介质的液体Galden HT200(一种防冻液,主要成分全氟聚醚(PEPE)))作为研究对象,对其在直流与纳秒脉冲下的击穿特性进行了实验研究与比对。

    • 四种绝缘介质直流下击穿特性实验采用标准设备DCJY-80SI绝缘油介电强度测试仪进行,设备最大直流输出电压80 kV,测量精度3%,调压速率(2±0.2)kV/s。实验电极结构采用400 mL标准油杯,电极为黄铜材料,圆形平板结构,直径25 mm,间距2.5 mm,电极间电场分布近似为均匀场。

      实验方法为:每种绝缘介质按测试仪固定升压速率开展直流耐压实验各50次,每次升压间隔时间为3 min,取50次实验结果的平均值求取介质直流击穿强度。

    • 纳秒脉冲下介质击穿特性实验在自研的纳秒脉冲实验平台上开展,布局如图1所示,主要由Marx触发与控制、紧凑型同轴Marx发生器、2 MPa实验腔体、示波器等组成。实验腔体内包含由回路限流电阻和钳位电阻构成的波形整形电路、测量用电阻分压器(限流电阻前后各一个)、盛有实验样品的标准油杯等,内部充SF6绝缘气体(最大充气压力可达2 MPa),用于防止内部组件在实验过程中发生沿面闪络。油杯内电极形状、间隙均与直流实验时相同。

      图  1  纳秒脉冲实验平台系统组成

      Figure 1.  Composition of the nanosecond-pulse test platform

      实验平台输出电压脉冲前沿约30 ns,半宽百纳秒,最高幅值可达473 kV,触发状态下输出脉冲幅值分散性≤5%。平台典型输出电压波形及Marx发生器开关间隙工作电压Vo与自击穿电压Vb比值和平台输出电压幅值的关系如图2所示。

      图  2  平台典型输出电压波形和幅值

      Figure 2.  Typical waveform and amplitude of the output voltage of the test platform

      实验过程中,首先固定平台输出电压幅值,并保证在该电压幅值下介质样品发生前沿击穿(与EMP模拟器脉冲源输出开关的真实工作情况一致),读取发生击穿波形的峰值作为该状态下液体介质的击穿电压。同一状态重复30次,每次间隔5 min,取30次实验结果的平均值求取介质击穿强度。

    • 图3表1为四种液体绝缘介质在直流下的击穿实验数据。可见,相同实验条件下Galden HT200击穿场强较变压器油高41.7%。甘油与去离子水为极性介质,直流电压下存在一个持续的泄露电流加热过程[12-13],因此采用介电强度测试仪测得数据较之变压器油与Galden HT200低很多。

      图  3  四种液体介质直流击穿数据

      Figure 3.  Breakdown data of four liquid dielectrics under DC

      表 1  四种液体介质直流实验击穿数据

      Table 1.  Breakdown data of four liquid dielectrics under DC

      dielectric mediarelative permittivitybreakdown votage(kV)relative deviation(%)breakdown field strength(kV/mm)
      transformer oil 1.87 39.3±4.7 12 15.7
      Galden HT200 1.83 55.7±6.8 12.2 22.3
      glycerol 31 5.3±0.07 1.3 2.1
      deionized water 80 5.2±0.02 0.4 2.08
    • 图4表2为固定实验平台输出脉冲电压幅值470 kV情况下,几种液体介质在纳秒脉冲作用下的击穿实验数据。可见,在上升沿30 ns左右的脉冲电压作用下,四种液体介质的击穿强度均大幅提高。同时,变压器油与Galden HT200击穿分散性有所降低,尤其是变压器油减低明显。变压器油与Galden HT200的击穿场强均提高6.5~7倍,Galden HT200的击穿场强仍比变压器油高出43.8%。甘油与去离子水两种极性介质在纳秒脉冲作用下,也表现出了良好的绝缘耐压性能。其中,去离子水击穿16发次以后,Galden HT200击穿31发次之后,击穿电压幅值均发生急剧降低,因此未计入统计。同一液体介质多次实验均出现类似结果,最终查明原因为,该介质放电导致标准油杯电极松动,致使间隙变小,击穿电压随之降低。

      图  4  四种液体介质纳秒脉冲击穿数据

      Figure 4.  Breakdown data of four liquid dielectrics under the nanosecond pulse

      表 2  四种液体介质纳秒脉冲实验击穿数据

      Table 2.  Breakdown data of four liquid dielectrics under the nanosecond pulse

      dielectric mediabreakdown votage(kV)relative deviation(%)breakdown field strength(kV/mm)
      transformer oil 262.7±13.34 5.07 105.1
      Galden HT200 378.8±37.3 9.8 151.2
      glycerol 186.3±6.98 3.75 74.5
      deionized water 128.1±9.63 7.5 51.2
    • 图5为四种液体介质分别在相同的纳秒脉冲作用下发生击穿时,实验平台内部限流电阻前后两个电阻分压器(如图1所示)测得的电压波形。其中,限流电阻前测得电压为Marx发生器输出电压,限流电阻后测得电压为加载在标准油杯上的电压。

      图  5  四种液体介质的击穿实验波形

      Figure 5.  The breakdown waveforms of four liquid dielectrics under the nanosecond pulse

      根据J. C. Martin等人关于纳秒脉冲下液体介质击穿过程的描述,可将其等效为如图6所示电路形式[14]。其中,Cg为装有液体介质的标准油杯中平板电极结构间的等效电容,Rg为平板电极间液体介质的绝缘等效电阻,RsLs分别为液体介质放电通道等效电阻与电感,Rs的值随介质击穿过程的发展而不断变化。可见,电极间液体介质的整个击穿过程可等效为一个变阻抗过程。根据这一思路对图5进行分析,保证液体介质在Marx发生器输出电压作用下均在波形前沿位置发生击穿,则限流电阻前电压波形前沿斜率的突然变化,说明液体介质内部开始发生击穿;限流电阻后电压波形的突然归零,说明液体介质绝缘电阻崩塌,介质完全击穿。

      图  6  液体介质击穿过程等效电路

      Figure 6.  Equivalent circuit for the liquid dielectric to breakdown

      分析图5波形可知,纳秒脉冲下作用在Galden HT200上的电压波形前沿斜率无明显变化,在作用7 ns后迅速跌落归零,即,作用电压达到击穿阈值后,介质迅速发生击穿。变压器油在脉冲电压作用10 ns左右时电压波形前沿斜率开始发生明显变化,说明介质开始发生击穿;持续将近20 ns后,作用电压波形迅速归零,介质完全击穿。甘油与去离子水作用电压波形较为类似,脉冲电压作用5 ns左右时,介质内部开始发生击穿,甘油击穿过程持续大约45 ns,去离子水击穿过程则持续大约70 ns。可见,在相同纳秒脉冲作用下,去离子水击穿过程耗时最长,Galden HT200击穿过程耗时最短。

      结合液体介质击穿理论分析可知[11-14],Galden HT200在纳秒脉冲下的击穿过程更符合“电击穿”理论。极低的介电常数使其所在间隙结构等效电容极小(标准油杯直径25 mm的圆形平板电极,间距2.5 mm,采用平板电容容值估算公式计算其结构电容容值约为3.2 pF),间隙上电压可快速上升。同时,富含氟离子的分子结构,会吸收大量自由电子,延缓有效电子的出现时刻,从而利于更高能量电子的产生,直接轰击介质分子致其电离,形成类似于气体放电中电子崩的现象,使液体介质绝缘电阻迅速崩塌,发生完全击穿。

      甘油和去离子水的介电常数分别为Galden HT200的16.9倍和43.7倍,相同电极结构下具有更大的结构等效电容(53.6 pF和138.4 pF),从而使介质间隙上作用电压的上升变得缓慢。同时,甘油与去离子水中液体分子的极化特性会抑制自由电子能量的聚集。因此,二者的击穿过程更符合“气泡击穿”理论。介质击穿存在一个气泡产生、内部气体电离、加热增长、贯穿间隙电极的相对缓慢的发展过程。

      变压器油介电常数与Galden HT200接近,但分子结构中不包含可以吸收自由电子的离子,且呈电中性,间隙上电压的快速上升产生极强的初始电场,同时也会产生大量的自由电子,其击穿更倾向于“电击穿”和“气泡击穿”的混合过程。因此,相同条件下其击穿电压低于Galden HT200,高于去离子水与甘油;完全击穿所需时间长于Galden HT200,但短于去离子水与甘油。

    • 图7为甘油、变压器油和Galden HT200分别在相同的纳秒脉冲作用下持续击穿50次后的样品形态。甘油样品电极周围形成明显的碳化区域,变压器油样品中出现向四周扩散的碳化痕迹,Galden HT200样品无明显放电痕迹(去离子水与之相同)。

      图  7  50次持续击穿试验后油杯中绝缘介质的形态

      Figure 7.  Morphology of liquid dielectrics in standard oil cup after 50 times breakdown tests

      分析出现上述现象的原因,主要与液体介质自身粘度有关。如表3所示,相同温度下,甘油的粘度系数比变压器油大102个量级,比Galden HT200和去离子水大103个量级。可见,粘度系数越大的液体介质,其放电形成的杂质产物越不易扩散,更易聚集在电极附近,从而对其重复使用次数与绝缘恢复能力产生影响。

      表 3  几种液体介质在20°C时的密度与粘度

      Table 3.  Density and viscosity of several liquid dielectrics at 20°C

      density/(g/cm2viscosity/(m2/s)
      deionized water / Galden HT20011.01×10−6
      transformer oil0.895(5−10)×10−6
      glycerol1.25(0.458−1.19)×10−3

      同时,实验中还发现随着实验次数的增加,盛有去离子水与Galden HT200的标准油杯中均发生了电极松动现象。分析原因,应该是液体放电产生的冲击波对电极反复作用的结果[15]。可见,相同实验条件下,在粘度系数较小的去离子水和Galden HT200中放电产生的冲击力对电极的作用效果更为明显。

    • 本文对变压器油、甘油、Galden HT200和去离子水四种脉冲功率技术中常用的液体介质在直流与纳秒脉冲作用下的击穿特性进行了实验研究,并对实验中测得的波形与出现的现象进行了比对分析,得到如下一些结论:(1)在直流与纳秒脉冲(前沿30 ns,半宽百ns)下,四种液体介质绝缘性能从高到低的排序均依次是Galden HT200、变压器油、甘油和去离子水,且两种情况下,Galden HT200的击穿场强均比变压器油高40%以上;(2)30 ns脉冲电压作用下,Galden HT200与变压器油的击穿场强均提高6.5~7倍,Galden HT200击穿耗时最短,其次是变压器油,然后依次是甘油和去离子水;(3)粘度系数最大的甘油经多次放电后,更容易在电极附近聚集碳化放电产物,而粘度系数最小的去离子水与Galden HT200则无明显放电产物;(4)去离子水与Galden HT200中放电产生的冲击力对电极的作用效果更为明显,多次放电后极易造成电极松动。

      通过上述实验比对,Galden HT200绝缘性能极佳,且物理特性与去离子水接近,因此可作为紧凑型脉冲源的首选绝缘介质。但是,在EMP模拟装置输出开关绝缘介质的选取上,变压器油因在脉冲下具有更低的击穿分散性,所以更有优势。

参考文献 (15)

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