真空轴向绝缘堆闪络概率分析方法研究

论文摘要

本文阐述了真空轴向绝缘堆闪络概率分析方法的研究背景和意义，综述了国内外在此方面的研究现状和存在的问题。 目前看来，影响真空轴向绝缘堆闪络概率的三个主要因素是：多层绝缘、圆周渡越时间和绝缘环间电压分配均匀性。因此，对于多层长渡越时间轴向绝缘堆闪络概率的分析必须综合考虑上述三个影响因素，这也使得这种情况下的闪络概率分析具有其独特性。本文在独立考虑上述因素的影响下，得出真空轴向绝缘堆闪络概率的两种分析方法：基于JCM经验公式和基于统计学经验公式的分析方法，并对两种方法的优劣进行比较。在实验验证的基础上，最终应用于实际绝缘堆结构（PTS装置绝缘堆）的设计和计算中。本文通过真空固体绝缘的理论研究和基础性实验研究，结合对新型真空固体绝缘材料的需求分析，全面掌握了真空轴向绝缘堆设计方法及其相关技术，填补国内在该技术领域的空白，同时也为今后类似绝缘堆结构的研制奠定基础。 首先，本文较为系统地总结了标准45°真空固体绝缘界面研究领域的理论和实验研究现状以及影响其耐压性能的因素。在前人提出的两种基本沿面闪络理论模型（SEE和EPTR）的基础上，创造性提出了阴极三相点激发和阳极三相点激发两种机理在实验现象上的平衡表现理论。设计了一套真空固体绝缘实验装置，对几种不同绝缘材料的45°截锥体样品进行了大量沿面闪络实验研究。利用大量类似工作环境下的脉冲电压(teff≈100ns)闪络实验数据，拟合出经验公式中的关键系数，进一步完善了标准45°真空固体绝缘界面闪络经验公式（JCM经验公式和统计学模型经验公式）的数据基础。 在上述两个沿面闪络经验公式的基础上，推导出基于两种不同经验公式的真空轴向绝缘堆的全堆闪络概率计算方法：基于JCM经验公式的的全堆闪络概率计算方法和基于统计学经验公式的全堆闪络概率计算方法。在全堆闪络概率的计算中，分别考虑了圆周渡越时间以及绝缘环间电压不均匀分配的影响。对于每种方法的描述中都给出了详细严密的数学推导和物理内涵分析。在基于统计学经验公式的全堆闪络概率计算方法的论述中，给出了改善绝缘堆工作性能的一些可能途径。在计算方法的研究中，创造性地探索出：绝缘环间过电压因子的计算方法（静电场处理方法）、圆周渡越时间的计算方法（等效介电常数法）、电压有效作用时间的计算方法（分段线性处理方法）、基于统计学经验公式全堆闪络概率的一个简化数值计算方法以及相应的C语言计算程序。 对上述两种全堆闪络概率计算方法进行了两个方面的验证：一个方面是利用国外已有Z装置绝缘堆的运行数据进行验证；另一个方面是设计了一个小绝缘堆实验进行验证。两个方面的数据结果表明，基于统计学模型的全堆闪络概率计算方法比基于JCM经验公式的全堆闪络概率计算方法与实际绝缘堆的工作性能吻合得更好。 最后，将经过实验验证的基于统计学模型的全堆闪络概率计算方法应用于实际PTS装置绝缘堆的设计中，详细计算出PTS装置绝缘堆A、B、C、D各层的全堆闪络概率与绝

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 脉冲功率技术研究的真空固体绝缘“瓶颈”问题
• 1.2 Z-Pinch装置研制对真空固体绝缘研究提出的需求
• 1.3 国内外在轴向分层绝缘堆领域的研究现状
• 1.4 Z-Pinch装置中真空轴向绝缘堆的技术特点和关键技术
• 1.5 论文的研究背景
• 1.6 论文的主要工作及其研究特色
• 1.7 论文的创新点
• 第二章 标准45°真空固体绝缘界面研究
• 2.1 介绍
• 2.1.1 标准45°真空固体绝缘界面的定义与特点
• 2.1.2 真空固体绝缘沿面闪络过程的通常描述
• 2.2 影响标准45°真空固体绝缘界面耐压性能的重要参数
• 2.2.1 不同电压类型的影响
• 2.2.2 真空度的影响
• 2.2.3 老练的影响
• 2.2.4 预加压的影响
• 2.2.5 绝缘体形状和倾角的影响
• 2.2.6 材料的影响
• 2.2.7 表面处理的影响
• 2.2.8 其它因素的影响
• 2.3 解释闪络过程的假说
• 2.3.1 SEEA假说
• 2.3.2 ETPR假说
• 2.3.3 与SEEA和ETPR两种假说相关的实验现象
• 2.3.4 阴极激发和阳极激发沿面闪络理论的平衡以及在实验现象上的宏观表现
• 2.4 关于与45°绝缘体闪络过程相关的结论
• 2.5 实验上的研究方法和结果
• 2.6 关于真空固体绝缘沿面闪络的研究现状和存在的问题
• 第三章 真空轴向分层绝缘堆闪络概率分析的理论基础
• 3.1 前言
• 3.2 JCM闪络经验公式
• 3.2.1 JCM经验公式的基本形式
• 3.2.2 关于JCM经验公式的讨论
• 3.3 统计学闪络经验公式
• 3.3.1 统计学闪络经验公式的基本形式
• 3.3.2 关于50%闪络场强和平均闪络场强
• 3.3.3 沿面闪络形成时间的统计学分量
• 3.4 为完善闪络经验公式数据基础而进行的基础性实验研究
• 3.4.1 实验目的和意义
• 3.4.2 实验装置及测试方法
• 3.4.2.1 实验装置的总体介绍
• 3.4.2.2 脉冲电压源
• 3.4.2.3 真空固体绝缘实验腔
• 3.4.2.4 脉冲电压测量
• 3.4.2.5 标准45°截锥体绝缘样品
• 3.4.3 实验结果
• 3.5 对标准45°绝缘样品实验数据处理和分析
• 3.5.1 对JCM经验公式的拟合
• 3.5.2 对统计学经验公式的拟合
• 3.5.2.1 拟合方法举例
• 3.5.2.2 对实际交联聚苯乙烯样品实验数据的分析
• 3.6 两种闪络经验公式的对比分析
• 3.7 小结
• 第四章 基于JCM经验公式的绝缘堆闪络概率分析方法
• 4.1 概述
• 4.2 绝缘堆圆周渡越时间
• 4.2.1 绝缘堆圆周渡越时间的概念
• 4.2.2 绝缘堆圆周渡越时间的计算方法
• 4.3 绝缘环间过电压因子
• 4.3.1 绝缘环间过电压因子的概念
• 4.3.2 绝缘环间过电压因子的计算方法
• 4.4 忽略圆周渡越时间条件下的绝缘堆闪络概率分析
• 4.5 考虑圆周渡越时间时对闪络概率计算方法的修正
• 4.6 该方法的局限性分析
• 4.6.1 JCM经验公式本身准确性带来的误差分析
• 4.6.1.1 时间指数
• 4.6.1.2 面积指数
• JCM'>4.6.1.3 JCM常数γ_JCM
• 4.6.2 没有准确考虑绝缘环间电压分配均压度的影响
• 4.6.3 将两层绝缘环闪络等效于全堆闪络带来的误差
• 第五章 基于统计学闪络经验公式的绝缘堆闪络概率分析方法
• 5.1 概述
• 5.2 绝缘堆全堆闪络概率 F（t）
• 5.2.1 忽略圆周渡越时间和不均匀均压影响的F（t）表达式
• 5.2.2 简化的数值计算方法
• 5.2.3 忽略圆周渡越时间条件下考虑不均匀均压对F（t）的影响
• 5.2.4 忽略不均匀均压条件下考虑圆周渡越时间对F（t）的影响
• 5.2.5 同时考虑圆周渡越时间和不均匀均压对F（t）的影响
• 5.3 特定条件下幸存概率S（t）和F≥1（t）的应用
• 5.4 改善绝缘堆工作性能的可能途径
• 5.5 该分析方法在实际应用中的局限性
• 5.6 在其它类似系统中的应用
• 第六章 两种计算方法对实际绝缘堆结构的分析和对比
• 6.1 前言
• 6.2 对美国Z装置绝缘堆工作性能的分析
• 6.2.1 Z装置绝缘堆的结构和工作环境
• 6.2.2 Z装置绝缘堆的圆周渡越时间和过电压因子计算
• 6.2.2.1 圆周渡越时间计算
• 6.2.2.2 过电压因子计算
• 6.2.3 Z装置绝缘堆的闪络概率计算
• 6.2.3.1 基于JCM经验公式的全堆闪络概率计算
• 6.2.3.2 基于统计学经验公式的全堆闪络概率计算
• 6.2.4 与实际运行数据的比较、分析与讨论
• 6.3 单路样机小绝缘堆实验
• 6.3.1 实验目的和意义
• 6.3.2 实验装置介绍
• 6.3.2.1 装置总体结构
• 6.3.2.2 小绝缘堆设计
• 6.3.2.3 单路样机输出电压波形的电路模拟
• 6.3.3 小绝缘堆闪络概率预估
• 6.3.3.1 基于JCM经验公式的全堆闪络概率计算
• 6.3.3.2 基于统计学经验公式的全堆闪络概率计算
• 6.3.4 实验进程、实验结果与分析
• 6.4 小结
• 第七章 计算方法在PTS装置绝缘堆设计中的应用
• 7.1 概述
• 7.2 PTS装置绝缘堆的结构
• 7.3 基于统计学闪络经验公式的全堆闪络概率分析
• 7.3.1 真空段电参数计算
• 7.3.2 装置全电路模型的模拟计算
• 7.3.3 绝缘堆处电压波形参数提取
• 7.3.4 确定经验公式
• 7.3.5 过电压因子的静电场数值模拟计算
• j，eff'>7.3.6 计算考虑不均匀电压分配影响下的g_j，eff
• 7.3.7 利用等效介电常数法计算绝缘堆的圆周渡越时间
• j，eff'>7.3.8 计算考虑圆周渡越时间影响下的h_j，eff
• 7.3.9 计算PTS装置绝缘堆的全堆闪络概率
• 7.4 其余各层的闪络概率计算
• 7.4.1 PTS装置绝缘堆B层全堆闪络概率
• 7.4.2 PTS装置绝缘堆C层全堆闪络概率
• 7.4.3 PTS装置绝缘堆D层全堆闪络概率
• 7.5 关于绝缘环材料选择方面的考虑
• 7.6 分析与小结
• 第八章 论文总结
• 8.1 论文的主要工作和结论
• 8.2 论文工作的不足之处以及下一步工作设想
• 附录
• 致谢
• 参考文献
• 博士在读期间发表的论文