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1、材料科学与工程学院本科毕业设计（论文）外文资料翻译原文名称 Development Process of Impulse Surface Flashover on Alumina Dielectrics in Vacuum 原文作者 Hiroki Kojima, Naoki Hayakawa，Tsugunari Ishida, Hitoshi Okubo， Kenji Tsuchiya 原文出版物 IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 翻译内容页码 918923 中文名称 真空中氧化铝电介质的脉冲沿面闪络发展过程学
2、生姓名 赵 龙 飞 专 业 复合材料与工程 学 号 1105100130 2014 年 1 月真空中氧化铝电介质的脉冲沿面闪络发展过程 摘要：为了真空断路器（VCB）更高的电绝缘性能，真空中的表面绝缘特性应提高。在本文中，我们研究了真空中氧化铝陶瓷绝缘体的脉冲沿面闪络发展机制。通过施加脉冲电压和电流波我们同步测量了静态图像和快速发展中的沿面闪络的超高速分幅图像。沿面闪络引发的光辐射跃迁也被阐明。真空条件下在沿面闪络的发展过程中我们发现在阴极周围形成了暗区并且从阳极形成了导电通道。 关键词：真空，沿面闪络，表面放电，氧化铝绝缘体，二次电子发射1、引言为了环保，真空断路器（VCB）和真空灭弧室（V
3、I）都需要开发更高的电压应用1。为了提高真空断路器（VCB）和真空灭弧室（VI）的运行电压，有必要提高真空中的高压电气绝缘性能。尤其对固体绝缘体来说沿面闪络是VCB/ VI的电绝缘性的基本因素之一。二次电子发射雪崩（SEEA）可以引发沿面闪络2。它受绝缘体的许多因素的影响，例如材料特性，表面状态和表面电荷分布3-9。我们已经研究了氧化铝表面的充电特性和表面充电对闪络特性的影响10，11。沿面闪络引发的基本特性已经得到阐明。然而，真空中沿面闪络发展过程的基本机制本身尚未被详细阐明。 在本文中，通过施加脉冲电压和电流波我们同步测量了静态图像和快速发展中的沿面闪络的超高速分幅图像。在闪络过程中专注于
4、电流和光发射的同时我们研究了脉冲沿面闪络的表面放电发展机制。2、实验2.1、实验装置图1示出了实验装置和测量系统。腔室中的真空压力设定在10-5Pa指令上。脉冲发生器产生一个负脉冲电压(-1.2/50 s)。我们通过万能分压器测量了电压波和由高频电流互感器测量了放电电流波。放电超高速分幅图像是使用了图像增强器（I.I.）的数码相机测量的，其暴露时间由脉冲发生器利用栅极信号被控制在纳秒。每施加一个电压通过两个独立的摄像系统我们可以先后得到两幅图像。 图1 实验装置和测量系统 图2示出了电极结构。氧化铝电介质（HA-92）的尺寸为1501505，平均表面粗糙度（Ra）为亚微米级。高压电极的直径为2
5、毫米。对面的接地电极直径是20mm。这些电极是由SUS304不锈钢制成。实验前，氧化铝样品和电极用乙醇在超声波清洗器中进行清洗，并在真空干燥器中干燥超过12小时。在对面的接地电极端测量放电电流。图3示出了该电极系统中的等电位分布。电场线几乎垂直的入射到氧化铝表面。我们在高电压电极端施加一个负脉冲电压并产生了沿面闪络。我们测量了沿面闪络的电压和电流波，并测量了每个施加电压的两个超高速光发射图像。 图2 电极结构 图3 等电位分布 2.2、实验结果图4显示施加-28kV脉冲时沿面闪络的静态图像没有增强。在高压电极和对面的接地电极之间有沿面闪络路径并且在电极周围有强光发射。图5示出了施加脉冲电压时的
6、沿面闪络电压和电流波的一个例子。在电压峰值附近电流升高。注意到闪络发展过程在击穿之前存在了200-400ns，并且电流和光强度随电压下降而增加。 图4 表面闪络静态图像（-28kV） 图5 沿面闪络波 图6示出了沿面闪络的超高速分幅图像和施加电压及放电电流，即同每两个图像相对应。图6a对应于图6a-1和6a-2，图6b对应于图6b-1和6b-2，图6c分别对应图6c-1和6c-2。 图6 高速分幅图像和沿面闪络波形 分幅图像的曝光时间为50ns。在图6中，时间（a-1）是电流开始的时刻并且时间（a-2）是电流刚开始之后的点。时间（b-1）处于闪络发展过程之中。时间（b-2），（c-1）和（c-
7、2）分别是刚击穿之前，击穿的瞬间和刚击穿后。图6a-1和6a-2表明，在闪络发展过程的早期阶段光发射在氧化铝表面从高压电极延伸。图6b-1和6b-2表明，高压电极的周围形成暗区并且对面的接地电极周围的光发射变得更亮。在图6a-2至图6b-2中，暗区在氧化铝表面上逐渐延伸。图6c-1和6c-2表明，强光发射从对面的接地电极延伸，并导致高压电极击穿。图6b-2表示在图6c-1中所示的光发射开始形成。这些在闪络发展过程中的光发射的过渡需要几十纳秒，一代沿面闪络需要几百纳秒。3、讨论3.1、沿面闪络的发展机制从图6看出，沿面闪络的发展过程有三步。首先，从阴极发射的电子和SEEA在氧化铝表面延伸并到达阳
8、极，此时间对应于图6a-1至图6b-2。接着，正如图6b-2至6c-1所示，在氧化铝表面阳极周围形成导电通道。最后，在图6c-1至图6c-2中导电通道诱导击穿。一些阳极相互作用可能引起气体解吸和形成导电通道。 图7 沿面闪络起源和形成暗区机制的预测 在沿面闪络发展过程中发现了短暂的暗区。基于测量结果，沿面闪络的起源和暗区形成的准模型可以如图7所示。在图7中，这些机制如下： （a）来自阴极场发射的电子冲击阴极下的氧化铝表面。由于电场线垂直入射到氧化铝上，因此几乎没有二次电子飞出。 （b）由于阴极下面瞬时形成的负电，所以阴极附近的电场分布是宽松且扭曲的。场发射电子和SEEA在氧化铝表面延伸，由于电
9、场分布阴极周围的电子对氧化铝的冲击减小。 （c）氧化铝的阴极发光消失，发现暗区。由于一些阳极的相互作用和SEEA的发展及阳极开始形成导电通道，导致电子倍增。3.2、瞬时形成负电的影响在图6a和图6a-1中，高压电极下电子冲击集中在氧化铝表面，负电在时间（a-1)瞬时形成。通过集成电流波我们估计瞬时形成的电量为10-8 C。为了讨论瞬时形成的负电的影响，通过假设负电围绕高压电极我们计算了电场分布。假设负电在氧化铝表面，图8示出了等电位分布的计算结果。沿面闪络的施加电压为-28kV。图8a示出了计算模型。区域A和B分别是在高压电极下氧化铝表面从0到5mm及5mm至15mm的范围。我们假定负电荷存在
10、于A区或A和B两个区域。我们计算了等电位分布和入射到氧化铝表面的电场线的角度。当区域A是210-4C/m2和区域B是0C/m2时图8b示出了等电位分布。在区域A负电引起电场扭曲，电场线的入射角从垂直变得平行。当区域A是-210-4C/m2和区域B是-1104C/m2时图8c示出了等电位分布，它表示了负电区域的扩展。在图8c中，由于负电的扩展导致电场线入射角接近平行的区域延伸。 图9 氧化铝表面电场线入射角（施加电压：-28kV；区域A:0C/m2 到-410-4C/m2）图8 负电存在时等电位分布的计算结果（施加电压-28kV） 图9示出了当区域A的电量从0C/m2变化到410-4C/m2时的
11、氧化铝表面的电场入射线的角度。随着大量负电增加，角度接近平行。-10-4C/m2有序电荷，相当于1010面积上有-10-8C有序电荷，把电力线的入射角变得平行。由于观测到的电流，所以高压电极周围存在10-8 C是很可能的。因此，瞬时形成的负电可以扭曲电场分布，并且在沿面闪络发展过程的早期阶段刺激沿面闪络发展。4、结论我们测量了表面闪络波和高速分幅图像，并且研究了氧化铝的阴极脉冲沿面闪络的发展过程。实验结果表明，真空中的脉冲沿面闪络有一些不同的传播过程。该过程如下： （1）从阴极发射的电子和SEEA在氧化铝表面延伸，并到达阳极。 （2）导电通道围绕阳极在氧化铝表面上形成。 （3）导电通道诱导击穿
12、。 我们还发现，在沿面闪络的发展过程中暗区在阴极周围形成。包括暗区，沿面闪络的发展机制受氧化铝形成的瞬时充电的影响。阴极周围瞬时形成的电荷可以把电场线的入射角从垂直变为平行。用于改变电场线入射角的大量电荷与所观测到的电流吻合。参考文献1 L. T. Falkingham, R. Reeves, C. H. Gill, S. Mistry, “Studies in Inverse Magnetron Discharges of Vacuum Interrupters: Part 1 Variations in Electric Field”, 23rd Intern. Symp. Dischar
13、ges Electr. Insul. in Vacuum, pp. 87-90, 2008.2 R. V. Latham, High Voltage Vacuum Insulation: Basic Concepts and Technological Practice, Academic Press, Ch.8. 1995.3 H. C. Miller, “Flashover of Insulators in Vacuum”, IEEE Trans. on Electrical Insulation, Vol. 28, pp.512-527, 1993.4 H. C. Miller, “Su
14、rface Flashover of Insulators”, IEEE Trans. Electr. Insul., Vol. 24, pp.765-786, 1989.5 H. Okubo, S. Yanabu, “Feasibility Study on Application of High Voltage and High Power Vacuum Circuit Breaker”, 20th Intnl. Symp. Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, pp. 275-278, 2002.6 O. Yamamoto, T. Takuma, M. Fukuda, S. Nagata, T. Sonoda, “Improving Withstand Voltage by Roughening the Surface of an Insulating Spacer Used in Vacuum”, IEEE Trans. Dielectr. Elect
