电磁脉冲模拟器关键绝缘部件设计

论文摘要

电磁脉冲(EMP)模拟器向高场强、快前沿方向的发展对脉冲驱动源提出了更高的要求,脉冲驱动源中关键部位绝缘子的尺寸大小影响脉冲形成回路的电感,因此如何设计出耐高电压、小尺寸的绝缘子是决定脉冲源输出前沿和幅值的关键因素之一。本文针对一种MV级EMP模拟器驱动源的需要,开展了MV级高强度玻璃纤维增强复合材料盆形绝缘子力学和电气特性的研究工作。研究表明,沿纤维方向,拉伸压缩强度都很高。并且有很明显的线性区域,即在一定范围的载荷下可以看成弹性模量为常数的线性材料。0°铺层的玻璃钢材料的破坏过程是玻璃钢与树脂的结合面先发生相对滑移后剩余的纤维仍能抵抗外载荷,在纤维大面积断裂以前,载荷是不断增大的。最后,大部分纤维与基体分离,载荷不能均匀地分散在纤维上,导致试样内部的纤维拔出或断裂,整个试样发散成纤维束。±45°铺层玻璃钢材料的破坏过程主要是纤维与基体结合面破坏导致,断口明显沿着纤维方向。为提高玻璃钢制品整体强度,含胶量应控制在22%左右。沿面闪络特性试验表明当沿面电场不均匀系数1.92时,试验腔体充0.2MPa纯SF6气体,135mm玻璃钢材料在前沿50nS,半高宽300ns的脉冲电压作用下,沿面闪络阈值590kV,三结合点处场强12kV/cm,沿面场强最大值110kV/cm。在此基础上,开展了MV级盆形绝缘子的研制。采用环氧加无碱玻璃纤维缠绕工艺。所设计的盆形绝缘子实际工作中最大应力发生在底部小孔周围,值为47.3Mpa,小于45°铺层玻璃钢材料的实验结果(拉伸强度145.17Mpa,剪切强度72.58Mpa)。在2.5MV电压作用下三结合点处场强11kV/cm,沿面最大场强60kV/cm,满足设计要求。制备的1:1盆形绝缘子在0.2MPaSF6气体中,2.5MV的脉冲电压作用下未发生沿面闪络现象。该课题的完成对于高力学强度、高电压下的异形绝缘子设计具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题的学术和实用意义
• 1.2 绝缘结构设计的基础
• 1.3 计算原理及应用的软件
• 1.3.1 电场计算
• 1.3.2 力学参数计算
• 1.4 论文研究的目的及内容
• 1.4.1 论文研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 绝缘材料的选择及材料的力学、沿面闪络特性
• 2.1 引言
• 2.2 绝缘材料的选择
• 2.3 复合材料静态力学实验
• 2.3.1 实验过程
• 2.3.2 实验结果与分析
• 2.4 玻璃钢材料的沿面闪络阈值试验
• 2.4.1 试验原理
• 2.4.2 试验条件
• 2.4.3 试验方案设计
• 2.5 本章小结
• 3 盆形绝缘子结构设计及优化
• 3.1 引言
• 3.2 基于力学强度的盆形绝缘子结构的初步设计
• 3.2.1 载荷分析
• 3.2.2 轴向应力
• 3.2.3 剪应力计算
• 3.2.4 筒身设计
• 3.3 盆形绝缘子沿面电场仿真与优化
• 3.3.1 脉冲源整机电路模型的建立
• 3.3.2 基于有限元方法的电场仿真计算
• 3.4 盆形绝缘子的应力场分析与强度校核
• 3.5 本章小结
• 4 1:1 盆形绝缘子的制备与应用
• 4.1 引言
• 4.2 1：1 盆形绝缘子的制备
• 4.2.1 技术指标要求
• 4.2.2 结构尺寸
• 4.2.3 工艺成型方案
• 4.2.4 材料选取
• 4.2.5 模具设计
• 4.3 1：1 盆形绝缘子的应用
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录