沿面放电光脉冲发展特征与临界击穿判据研究

绝缘沿面放电是引起高压开关柜中滑闪及电弧击穿的主要原因和前期阶段,准确有效地对绝缘异常爬电进行监测、跟踪和预警对保障设备安全运行非常关键。该文通过试验研究强垂直分量绝缘爬电的光脉冲阶段特征,并提出基于多波段光谱辐射强度信息的放电发展阶段划分方法和临界击穿判据,从而建立基于多波段光谱强度比值的放电跟踪预警方法。首先,搭建多波段单光子试验系统,采用自制多波段光学传感装置对沿面放电发展全过程跟踪测量,获得表征放电发展过程光谱比率的统计参量;其次,借助模糊聚类算法和支持向量机,构建放电发展临界特征空间边界,并对放电严重程度进行量化评估,结果表明该方法对放电阶段的正判率达到96.9%以上;最后,确立基于光谱比率的放电危险性主动预警逻辑,并开发了放电光脉冲跟踪预警系统,为开关柜放电和弧光监测的创新应用提供了参考。

金属突出物电极结构下SF6气体临界击穿场强计算研究

SF6气体在电力绝缘设备中的应用已经非常广泛,研究SF6气体放电击穿特性对于计算金属突出物电极结构下SF6气体临界击穿场强具有重要意义。文中针对SF6气体在金属突出物电极结构下的放电击穿过程开展了详细的理论研究与计算分析。首先,基于已有的SF6气体击穿过程进行理论总结并加以完善;然后,引入阶段先导发展模型,针对稍不均匀电场条件下SF6气体放电击穿过程进行建模。将放电击穿分为3个主要过程,首电子产生阶段、流注初始阶段及先导发展至击穿阶段;最后,结合气体物性参数建立金属突出物电极结构下SF6气体折合临界击穿场强计算综合模型,计算得到SF6气体在金属突出物电极结构下临界击穿场强。研究表明:相同压强情况下,交流电压下的临界击穿场强要比雷电冲击电压下的折合临界击穿场强低。雷电冲击电压下临界击穿场强极性随电极结构和压强条件的变化而改变。并且,由于在曲率较大处的电极处局部放电产生空间电荷的影响,随着压强的增大和突出物尖端的加长,正极性雷电冲击电压下的临界击穿场强趋向施加交流电压下的临界击穿场强。

SF_6及其混合气体临界击穿场强计算与特性分析

为了在弧后电击穿评估时得到热态SF6及其替代或混合气体的准确临界击穿场强,通过求解两项近似Boltzmann方程,得到了SF6气体在0.4MPa和0.8MPa下、300～3 000K范围内的折合临界击穿场强(E/N)cr。结果表明:SF6气体的(E/N)cr随温度升高而跌落,其减小速度与SF6的分解速度有关;在1 500～2 500K范围内,SF6气体在0.8MPa下的(E/N)cr明显高于0.4MPa下的(E/N)cr,而在其他温度下,二者的(E/N)cr非常接近。同时,计算了SF6-CF4、SF6-CO2、SF6-O2、SF6-CH4、SF6-C2H6和SF6-CHF3在300K下的(E/N)cr,发现当x(SF6)超过10%以后,6种混合气体的(E/N)cr随x(SF6)近似线性变化,且6种纯气体中CF4和O2的(E/N)cr最大,而与SF6混合后,SF6-CF4和SF6-O2的(E/N)cr相当,仍高于其他混合气体。此外,还引入了SF6与混合气体击穿场强的比值r,在一定范围内只要混合比例与压强适当,混合气体可得到与SF6相当的击穿场强。

高温混合气体临界击穿场强的计算研究

针对高温混合气体临界击穿场强的计算问题,首先对所采用的零维模型进行了介绍,在此基础之上,对纯空气、空气与PA6蒸气的混合气体、空气与POM蒸气的混合气体在内的不同组分气体介质的临界击穿场强进行了计算,并对计算结果进行了理论上的分析。所涉及到的内容主要包括高温体粒子组分的获取,玻尔兹曼方程的近似求解和电子能量分布函数(EEDF)的计算,碰撞截面数据的选择,电子碰撞电离系数和吸附系数的计算。其中重点在于对波尔兹曼输运方程的近似求解和分析不同气体介质对临界击穿场强的影响。

不同电极结构下SF_(6)气体临界击穿场强计算

SF_(6)气体在电力绝缘设备中的应用已经非常广泛,计算多种电极结构下SF_(6)气体临界击穿场强对于研究SF_(6)气体放电击穿特性具有重要意义。文中针对SF_(6)气体在多种电极结构下的放电击穿过程开展了详细的理论研究与计算分析。首先,基于已有的SF_(6)气体击穿过程进行理论总结并加以完善;然后,引入阶段先导发展模型,针对稍不均匀电场条件下SF_(6)气体放电击穿过程进行建模,将放电击穿分为3个主要过程:首电子产生阶段、流注初始阶段及先导发展至击穿阶段;最后,结合气体物性参数建立多种电极结构下SF_(6)气体折合临界击穿场强计算综合模型,计算得到SF_(6)气体在多种电极结构下的临界击穿场强。研究表明:相同压强情况下,交流电压下的临界击穿场强要比雷电冲击电压下的折合临界击穿场强低。雷电冲击电压下临界击穿场强极性随电极结构和压强条件的变化而改变。并且,受电极曲率较大处局部放电所产生空间电荷的影响,随着压强的增大和突出物尖端的加长,正极性雷电冲击电压下的临界击穿场强趋向施加交流电压下的临界击穿场强。

气体介质临界击穿电场强度计算方法综述

气体绝缘性能是气体的重要属性,对电力设备的绝缘设计具有重要意义。衡量气体绝缘性能的指标中,最具代表性的是气体的临界击穿电场强度。国内外很多学者对气体介质临界击穿电场强度的计算开展了大量的研究工作,对目前现有的计算方法进行了系统的分类并分别进行了阐述。最后,提出了进一步研究的具体方向。

热态C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体电击穿特性研究

热态气体的临界击穿场强是评估高压断路器弧后电击穿特性的基础数据,文中研究了C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体在C_(5)F_(10)O混合比例k=0~10%、压强0.1~2.0 MPa、温度300~4 000 K范围内的临界击穿场强。基于质量作用定律数学模型,得到不同温度下混合气体的平衡组分,采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,分析混合气体的电子能量分布函数、折合电离和吸附系数,获得混合气体的临界折合击穿场强和临界击穿场强。结果表明:0.6 MPa下,温度低于3 000 K时,随着温度降低,k=0~10%混合气体的临界击穿场逐渐低于SF_(6);在温度高于3 000 K时,混合气体的临界击穿场强为SF_(6)的1.2倍以上,具有较强的绝缘能力。研究结果可为C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体高压断路器弧后电击穿特性研究提供参考。

水热条件对冻融土电阻率及击穿特性影响研究

我国冻土面积占国土面积的一半以上,存在大量冻融土与雷暴共存区域,直接影响电力系统接地性能。首先,分析了冻融土的导电机理,构建了冻融土的导电模型;其次,设计并搭建了冻融土电阻率与电击穿特性试验平台;最后,对我国4种冻土区典型土壤和细砂进行试验,测量土壤电阻率、临界击穿场强随水热条件变化数据,并分析变化产生的本质原因。试验结果表明:水热条件对冻融土电阻率和临界击穿场强的影响可分为冻土段、冻融土混合段和融土段;电阻率ρ和临界击穿场强Ec都随着温度的升高而降低,但只在冻融土混合段发生跳变。

输电杆塔接地体对埋地油气管道的临界击穿场强试验研究

针对西北地区输电线路和埋地油气管道相邻交叉,输电杆塔接地体可能在雷电冲击下对油气管道放电的情况,通过试验的方法确定了针电极对油气管道间砂质土壤的平均击穿场强,分析了临界击穿场强的影响因素,并对土壤的击穿机理进行了讨论。试验结果表明沙质土壤中针电极对管道的临界击穿场强为200~300 kV/m,土壤电阻率对土壤的临界击穿场强影响不大,为确定西北砂质土壤地区输电线路和埋地油气管道的安全距离提供了参考数据。

聚合物电老化击穿临界状态的实验验证

本文通过实验发现在较大的电压范围内,在双对数坐标上,聚丙烯薄膜试样的寿命曲线、剩余击穿场强和表面电位增量与老化时间的关系都是折线,并相互对应,验证了陷阱在击穿过程中的决定性作用和寿命公式中的幂指数随电场强度范围的不同而变化的结论,试样的击穿均发生在陷阱密度达到一定值时,与电老化电压高低无关。因此陷阱密度可作为衡量聚合物电老化程度的一个特性参数。

SF_(6)/N_(2)混合气体断路器弧后击穿特性研究

以SF_(6)和SF_(6)/N_(2)混合气体为研究对象,建立交流电源、单一喷口、固定电极条件下的电弧模型。通过结合Mayr电弧模型的方法研究替代气体断路器弧后热击穿特性;采用两项近似法求解玻尔兹曼方程,计算混合气体临界击穿场强并与替代气体断路器模型实际场强比较,研究弧后电击穿特性。研究结果表明,在SF_(6)/N_(2)混合气体中SF_(6)含量较高时弧后击穿特性表现与纯SF_(6)气体断路器弧后击穿特性表现比较接近,说明其基本具备SF_(6)气体的弧后击穿特性,可以实现对于SF_(6)气体的替代,为SF_(6)替代气体断路器的研发提供理论依据,对于替代气体断路器重击穿问题的研究也具有参考价值。

1个大气压下50%SF_6-50%CF_4混合气体电击穿特性的研究

热态SF6及其替代或混合气体的临界击穿场强特性是评估弧后电击穿的基础数据。基于两项近似求解Boltzmann方程的方法,得到了1个大气压下热态50%SF6-50%CF4混合气体的电子能量分布函数、折合电离反应系数和折合吸附反应系数,进而确定了混合气体的折合临界击穿场强。结果表明:在1个大气压下,当气体温度高于1 800 K时,50%SF6-50%CF4混合气体的折合临界击穿场强高于纯SF6;当温度高于2 600 K时,与纯SF6和SF6-N2的情况不同,由于CF4分解物的影响,50%SF6-50%CF4混合气体的折合临界击穿场强随温度升高而增大。此外,还计算了1个大气压下不同比例冷态SF6-CF4混合气体的折合有效电离系数和折合临界击穿场强,并通过与已有结果的对比,验证了计算方法和参数的有效性。

气压湿度对空气隙绝缘特性的影响研究

外界环境条件影响以空气为介质的电力设备外绝缘性能,为了研究空气放电的物理特性,文中基于Boltzmann方程研究空气中电子与分子碰撞的微观过程,计算分析气压、湿度对空气隙绝缘性能的影响规律。结果表明,温度为300 K,气压为1.0 atm(1 atm=101 kPa)时,空气相对湿度的升高会改变电子能量分布函数和电子输运参数。相对湿度每升高30%,电子平均能量下降约0.2 eV,约化电子迁移率下降约0.25×10^(23)(V∙m∙s)^(-1),约化电子扩散系数下降约0.2×10^(24)(m∙s)^(-1),空气相对湿度从0%升高到30%,临界击穿场强升高486 V/cm,空气相对湿度从30%升高到60%,临界击穿场强升高729 V/cm,空气隙绝缘性能增强;温度为300 K,相对湿度为0%时,气压每升高0.2 atm,临界击穿场强升高约6 kV/cm,空气隙绝缘性能增强。

高压脉冲对岩混材料击穿效应的仿真研究

为了研究高压脉冲对岩混材料目标的击穿规律,该文通过计算机仿真软件模拟高压脉冲对岩混材料块的作用过程,研究电子束运动轨迹及其能量密度分布的变化。结果表明:趋于临界击穿条件下,电极端自由电子的倍增效应越发显著,输入端发生雪崩击穿并表现出电子束呈现边界收窄的趋势,同时电极尖端能量密度分布趋于聚焦,与实验所测输出电流峰值越高,波形脉宽越窄的现象一致。该研究可为高效破碎岩混材料相关应用提供技术依据。

热态CO_2及其与O_2混合气体热动属性及电击穿特性的计算分析

CO2是一种有潜力的SF6的替代气体,研究纯CO2以及CO2/O2混合气体的临界击穿场强对于进一步研究其绝缘和灭弧性能有重要意义.为此,给出了不同压力下,纯CO2以及不同混合比例CO2/O2混合气体电弧等离子体的平衡态化学组成及体积分数90％CO2-10％O2混合气体的热动属性.通过求解两项近似的Boltzmann方程,得到0.4 MPa下,不同混合比例的CO2/O2混合气体,300～3500K温度范围内的折合临界击穿场强（E/N）cr.结果表明：体积分数50％CO2-50％O2混合气体的（E/N）cr在2 000 K以下远高于体积分数90％CO2-10％O2混合气体;50％CO2-50％O2的混合气体（E/N）cr受温度影响较小;当温度高于2 000 K时,90％CO2-10％O2混合气体的（E/N）cr随温度升高迅速增大.

基于FEM-FCT法的均匀电场下SF_6气体击穿特性

研究SF6气体放电过程中微观粒子的动力学特性,可以得到临界击穿场强等衡量气体绝缘能力的宏观参量,这些宏观参量对高压开关设备的设计和研发有重要作用.为此,根据流注理论建立了反映气体放电过程中微观粒子动力学特性的流体动力学模型,将有限单元法与通量校正传输法相结合,求解均匀电场下极间隙为0.5 cm时SF6气体的放电特性,得到了放电过程中带电粒子的动力学行为以及空间电荷对电场的影响.通过循环计算均匀电场中不同电压下SF6气体的放电过程,得到其临界击穿场强.在此基础上,计算不同压强下SF6气体的临界击穿场强,通过与已有的均匀电场中SF6气体临界击穿场强实验值进行对比,验证计算结果的准确性,并分析气体压强对SF6气体击穿特性的影响.计算结果表明：当压强为0.1 MPa时,极间距为0.5 cm的SF6气体在39 kV的外电压下发生击穿,间隙内的电场在6.8 ns时开始发生畸变,此时电子数密度最大值达到2.7＆#215;1017 m-3,随后SF6由绝缘状态发展为导电状态;当气体压强为0.1～0.4 MPa时,SF6的临界击穿场强与气体压强基本呈线性关系.数值计算结果与实验值基本相符,验证了其正确性.

国家队加持,芯片制造关键技术首次突破

据南京发布近日消息,国家第三代半导体技术创新中心(南京)历时4年自主研发,成功攻关沟槽型碳化硅MOSFET芯片制造关键技术,打破平面型碳化硅MOSFET芯片性能“天花板”。据悉这是我国在这一领域的首次突破。公开资料显示,碳化硅是第三代半导体材料的主要代表之一,具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子饱和迁移速率和高导热率等优良特性。碳化硅MOS主要有平面结构和沟槽结构两种结构。目前业内应用主要以平面型碳化硅MOSFET芯片为主。

热态SF_(6)/CF_(4)击穿特性研究

热态介质折合临界击穿场强是判断开关设备弧后介质是否发生重击穿的依据,获取热态SF_(6)/CF_(4)的折合临界击穿场强,对于评估和优化SF_(6)/CF_(4)高压开关设备开断特性具有重要意义。文中采用质量作用定律计算压强为0.1~1.6 MPa下SF_(6)/CF_(4)等离子体粒子组分含量,分析300~4000 K温度范围内混合气体50%SF_(6)/50%CF_(4)随温度变化过程。采用两项近似法求解玻尔兹曼方程,计算不同压强下热态SF_(6)/CF_(4)折合临界击穿场强(E/N)_(cr)随温度的变化关系。结果表明:温度低于1500 K时,(E/N)_(cr)几乎不变,约为268.3 Td(1 Td=1×10^(-21)Vm^(2));温度高于2000 K时,由于CF_(4)分解产物CF_(x)(x=1,2,3)的影响,混合气体(E/N)_(cr)高于纯SF_(6);随着温度的进一步升高,(E/N)_(cr)稳定在40 Td左右。最后计算了0.7 MPa下不同比例冷态SF_(6)/CF_(4)有效电离反应系数,并与文献值进行对比,验证文中计算方法和参数的有效性。

“宽禁带半导体变流技术及其应用”专题特约主编寄语

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料由于其宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点,成为制作大功率、高频、高温及抗辐照电子器件的理想替代材料。随着SiC单晶生长技术、外延材料工艺和GaN异质结外延技术的不断成熟,宽禁带半导体功率器件的研制和应用在近年来得到迅速发展,人们对SiC在新能源汽车、电力能源等大功率、高温、高压场合,以及GaN在快充和信息电子领域的应用前景寄予厚望。深入探索宽禁带器件的材料及应用特性,最大限度发挥宽禁带器件的性能,成为宽禁带半导体变流技术及其应用的重要研究方向。

全球氮化镓肖特基二极管专利分析

技术概述氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体的代表,具有宽带隙(3.4eV)、高临界击穿电场(3.3MV/cm)、高电子饱和漂移速率的优异特性,特别是AlGaN/GaN异质结界面能够形成高浓度二维电子气(2DEG),具有高达2000cm^(2)(V.S)的电子迁移率,使得GaN材料在高压、大功率、低损耗和高频率方面都具有显著优势。相对于PN结二极管,肖特基势垒二极管(SBD)由于载流子的注入和移除速度快,能够在高频信号处理过程中快速实现导通和截止状态的切换,同时肖特基势垒二极管还具有正向导通电压低的优点,能够减少能量消耗,提高电路效率。因此,肖特基势垒二极管能够广泛应用于高频信号电路以及各种电源设备,用于实现整流,变频等功能。GaN肖特基势垒二极管可以同时实现高击穿电压、高开关频率、大电流和低导通电阻,进而大幅降低微波、毫米波频率下的器件损耗,是实现微波、毫米波系统低功耗、高功率、高可靠性的关键。