强流束二极管绝缘子结构设计与实验研究

　　随着脉冲功率技术和高功率电真空器件技术的不断发展,真空介质被广泛应用于器件和设备中,其中经常应用固体绝缘子作为高电压电极的绝缘和支撑。二极管绝缘子是将变压器油和真空分开的界面,在固体-液体[1]、固体-真空[2]的交界面上很容易发生沿面闪络。关于固体-真空界面的闪络现象,国内外学者进行了大量的理论和实验研究,已有较为成熟的理论能够对实验现象做出较为合理的解释。然而,关于固体-液体界面的闪络现象,还没有成熟的理论,这是因为液体介质化学成分复杂、容易被污染以及固体材料特性的限制。目前关于固体-液体沿面闪络现象的研究很少,并且研究大多针对一些特殊的实验情况,加载电压多为直流、工频、雷电等条件[3-4]。对重复频率纳秒脉冲条件下固-液沿面闪络的研究甚少。中国科学院电工研究所严萍等人对纳秒脉冲下变压器油中绝缘介质的沿面闪络特性进行过实验研究[5-6],但他们进行的是小尺寸样品的实验研究。本文将从理论和实验两个方面对强流束二极管绝缘子的固体-变压器油交界面的闪络现象进行研究。

　　1　绝缘子结构设计

　　根据实际的应用条件,绝缘子设计中主要考虑以下几点[7]:选择单体绝缘子,不带均压环,简化工程设计;尽可能降低三相点(绝缘子、真空或液体及金属交界处)的电场强度,以减少或消除初始电子的产生;尽量使阴极电压沿绝缘子表面均匀下降,避免局部产生高场强。国内外研究表明:绝缘子与电力线成45°夹角时,绝缘子具有最佳的绝缘效果[7]。因此,我们将绝缘子设计成锥形,一方面可增加绝缘子沿面长度,降低沿面平均电场;另一方面,选择适当的锥度还可大大降低绝缘子表面与外加二极管引导磁场磁力线相交的可能性,避免或减少回流电子对绝缘子表面的轰击,从而进一步提高沿面闪络阈值电压,保证重复运行下绝缘子的稳定可靠。另外,采用阴极屏蔽座来减小三相结合点的电场强度,还可以改善绝缘子表面的电场分布。通过静电场模拟分析,可以确定出最优的阴极屏蔽座形状及尺寸,从而降低三结合点的电场强度。

　　设计的锥形绝缘子轴向长度约38 cm,沿面有效长度约42 cm,大端直径约51 cm,小端直径约21 cm。由静电场模拟得出了沿真空-绝缘子表面电场分布,最大电场约88 kV/cm。根据马丁公式EBDt1/6A1/10=175进行计算(式中t=40 ns,A≈4 500 cm2),可得出表面闪络电压阈值场强EBD约130kV/cm,可见设计场强远低于阈值场强。考虑到二极管以重复频率运行时,表面闪络电压阈值降低,因此设计中取0.7EBD≈91 kV/cm,即实际运行场强只要不超过91 kV/cm就可保证绝缘子真空沿面不发生闪络。图1给出了绝缘子表面的等位线分布,可以看出绝缘子沿面上的电位分布在阴极屏蔽座的抬升下趋于均匀,这在很大程度上减小了绝缘子、阴极以及真空三结合点的电场强度。图2给出了绝缘子外表面(真空侧)、内表面(变压器油侧)的电场分布。可以看出,在真空侧绝缘子外表面,最大场强为88 kV/cm,低于设计的阈值场强,三结合点电场强度达到最小,约为12 kV/cm。在变压器油侧绝缘子内表面,电场最大值出现在距离绝缘子大口径端口4.5 cm处,约为77 kV/cm。在绝缘子、阴极以及真空三结合点处的电场强度小于30 kV/cm。通常变压器油的有效击穿场强在200~300 kV/cm之间,此设计的最大场强为77 kV/cm,远低于变压器油的击穿场强。