微波脉冲大气击穿临界场强估计

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。

基于弹塑性井周的井筒-射孔地层破裂压力预测模型

深部“高地应力、高温度、高地层压力”的赋存条件,使储层呈现脆性-延性-应变硬化的塑性特征。针对深部塑性储层的水力压裂改造,存在人工裂缝起裂、延伸压力高的挑战。本文通过开展实时高温高围压的储层岩石三轴压缩实验,明确了储层岩石的塑性破坏特征。建立了深部储层岩石的塑性硬化本构模型,推导了井周的弹塑性应力场分布。结合断裂力学理论,建立了考虑井周塑性区的射孔尖端应力强度因子计算模型,并提出相应的迭代求解方法。采用模型预测室内实验与新疆某油田实际条件下的水力压裂裂缝起裂压力,模型预测结果与实测结果对比表明,考虑弹塑性井周应力场的破裂压力预测值比实际压裂预测值高,储层塑性特征不利于水力裂缝的起裂。模型预测值与油田实测结果的误差为6.6%,验证了模型的可靠性。考虑弹塑性井周的破裂压力预测模型可保证压裂设计的安全性,为深部储层的压裂方案设计提供有效指导。

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。

U型高K介质膜槽栅垂直场板LDMOS

近年来,随着汽车电子和电源驱动的发展,集成度较高的LDMOS作为热门功率器件受到了关注,如何提高其击穿电压与降低其比导通电阻成为提高器件性能的关键。基于SOI LDMOS技术,文章提出了在被4μm的高K介质膜包围的SiO_(2)沟槽中引入垂直场板的新型结构。与传统沟槽LDMOS相比,垂直场板和高K介质膜充分地将电势线引导至沟槽中,提高了击穿电压。此外垂直场板与高K介质和漂移区形成的MIS金属-绝缘层-半导体电容结构能增加漂移区表面的电荷量,降低比导通电阻。通过二维仿真软件,在7.5μm深的沟槽中引入宽0.3μm、深6.8μm的垂直场板,实现了具有300 V的击穿电压和4.26 mΩ·cm^(2)的比导通电阻,以及21.14 MW·cm^(-2)的Baliga品质因数的LDMOS器件。

XLPE电缆绝缘片晶周期性结构演变及其对电性能的影响

为了研究长期高温条件下高压直流电缆交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘片晶周期性结构演变对直流绝缘特性的影响,将500 kV直流XLPE电缆绝缘层的薄片试样置于135℃条件下加速热老化。采用小角X射线散射(small angle X-ray scattering,SAXS)和差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)分析热老化对组成球晶的片晶/无定形区过渡界面、片晶和片晶长周期结构的影响。同时,分析XLPE直流电导特性和击穿强度的变化。实验结果表明:片晶/无定形区界面厚度、片晶厚度、片晶长周期尺寸随着老化的进行先略微增大后逐渐减小,在老化336 h时出现最大值,这与电荷注入阈值场强和直流击穿强度具有相似的变化规律,而与载流子迁移率变化和片晶间无定形区尺寸的变化相反。基于陷阱控制的阈值场强变化和自由体积击穿理论,分析片晶周期性结构变化对直流击穿强度的影响。综合分析可知,经过短时间热老化有助于改善XLPE的片晶周期性结构,从而提升直流击穿强度。

辅助放电针对气体间隙直流自击穿特性的影响

为降低气体放电间隙直流条件下自击穿电压分散性,尽可能不影响其自击穿电压,基于环形电极放电间隙,设计了一种在阴极中心植入辅助放电针的辅助放电电极结构。通过电场仿真,研究了辅助放电针直径、长度和顶部倒角对放电间隙场畸变的影响。实验研究了放电间隙无辅助放电针和植入辅助放电针后,其在干燥空气和SF_(6)气体中的直流自击穿特性。结果表明:辅助放电针直径越小、长度越长,电极环对其电场屏蔽作用越弱,放电间隙场畸变强度越大;辅助放电针对SF_(6)气体放电间隙直流自击穿电压影响较小,随着场畸变系数的增大,同一气压下干燥空气自击穿电压下降百分数为SF_(6)气体自击穿电压下降百分数的2~3倍;辅助放电针对直流条件下干燥空气和SF_(6)气体放电间隙自击穿电压稳定性具有有益作用,分散性减小百分数较无辅助放电针结构均提高约25%。

界面黏接对软电介质薄膜临界击穿场强影响的试验研究

软电介质薄膜因模量低、可大变形、适应性强等特点,被广泛应用于电气和电子系统中。但由于材料的介电常数较低,通常需要在较高的电场环境下服役。在高电场环境下,软电介质薄膜易产生失稳和电击穿破坏,影响着材料的应用范围和稳定性。本研究针对电极对软电介质薄膜有无约束两种情况对此类器件的稳定性展开了研究:首先定量描述了电极对电介质无约束时,电压加卸载过程中失稳形貌的演化规律;其次讨论了例如氯化锂水凝胶等软电极对薄膜力电失稳的抑制,并利用化学黏接的方式增强水凝胶电极对电介质薄膜的约束,提升了电介质薄膜的临界击穿场强。

垂直氮化镓沟槽栅极场效应管的优化设计

在传统的氮化镓沟槽栅极场效应管的基础上,通过引入AlGaN层,在异质结界面处形成二维电子气减小器件的导通电阻,并对漂移层的厚度和掺杂浓度进行讨论,使用TCAD软件对器件进行设计优化。最终优化后的漂移层厚度为6μm,掺杂浓度为5×10^(16)cm^(-3)。器件获得了较低的导通电阻R_(on)=0.47 mΩ·cm^(2),较高的击穿电压V_(BR)=2880 V和品质因子FOM=17.6 GW·cm^(-2)。结果显示出了沟槽栅极垂直氮化镓场效应管在高压大电流应用场景下的优势。

SF_(6)断路器触头劣化过程合闸预击穿特性研究

电容器组投切断路器触头烧蚀劣化后会改变合闸预击穿时间,这不仅会影响选相合闸效果,同时也说明预击穿电弧持续时间可作为衡量触头烧蚀状态的指标之一。建立了126 kV SF_(6)断路器灭弧室内合闸预击穿过程电—流体耦合仿真模型,研究了触头劣化过程中合闸预击穿特性,并提出了预击穿时间带电检测方法。结果表明:合闸过程中场强最大点总是出现在静弧触头表面;灭弧室内SF_(6)气体密度几乎保持不变;110 kV电压等级相电压下,触头预击穿电弧持续时间随烧蚀程度变化的试验值与仿真值吻合良好。从电场畸变角度解释了随着触头的表面烧蚀劣化程度增大对应预击穿时间的变化规律,结果可为断路器选相合闸策略和触头状态评估提供理论指导。

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。

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。

高压脉冲作用下岩石的击穿特性与物理力学参数关系试验研究

高压脉冲提供了一种非常具有应用前景的新型破岩技术。为了研究高压脉冲作用下岩石的击穿破裂特性,并掌握击穿场强与物理力学参数之间的关系,开展了不同岩性岩石的电击穿试验。借助扫描电子显微镜分析了高压脉冲击穿后岩石的微观破裂机制,比较了不同岩性岩石在刚好击穿时的破裂模式,研究了岩石物理力学参数对击穿场强的影响。微观分析结果表明:等离子体通道附近区域呈现高温灼烧特征,晶粒表面光滑且出现孔洞;冲击波作用下裂纹区主要为沿晶断裂和穿晶断裂;过渡区则表现出高温和冲击波共同作用的特征。此外,岩石的击穿场强与密度、波速、弹性模量之间的相关性较弱;而与抗压强度及抗拉强度之间具备一定的量化关系,击穿场强随着抗压强度和抗拉强度的增大呈指数型增长。

等离子体羟基化改性纳米SiO_(2)粒子对绝缘纸绝缘特性的影响

在绝缘纸中掺杂纳米粒子,可通过其对载流子的限制来提高绝缘纸的绝缘特性。然而,纳米粒子的高比表面积和表面活性易形成“团聚”,导致纳米粒子聚集处易产生局部放电和击穿。为了有效抑制纳米粒子团聚、进一步提高绝缘纸的绝缘特性,利用介质阻挡放电(DBD)等离子体对纳米SiO_(2)粒子进行羟基化改性,增加纳米粒子表面羟基数,并通过氢键与硅烷偶联剂分子发生偶联作用从而桥接在绝缘纸基体上,改善了纳米粒子和绝缘纸的兼容性,从而改善其团聚,并采用原位聚合法制备了掺杂纳米SiO_(2)粒子的纤维素绝缘纸。利用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、比表面及孔隙度分析仪(BET)结合滴定法等手段表征了等离子体改性前后纳米SiO_(2)粒子表面化学组分、微观形貌、官能团及接枝羟基数目的变化规律。并考察了等离子体处理条件及改性步骤对绝缘纸击穿场强和体积电阻率的影响。研究结果表明,纳米SiO_(2)粒子经等离子体羟基化改性后表面氧元素含量及羟基吸收峰显著增强,其在绝缘纸中的分散性得到明显改善。当等离子体改性时间为5 min、空气相对湿度为75%时,纳米SiO_(2)粒子表面接枝的羟基数目达到最高。掺杂了3wt%等离子体羟基化改性的纳米SiO_(2)后,绝缘纸的直流击穿场强和体积电阻率达到18.35 kV/mm和17.45×10^(9)Ω·m,较掺杂了未改性纳米SiO_(2)的绝缘纸分别提高了10.7%和19.4%,较未掺杂纳米SiO_(2)粒子的绝缘纸提高了52.3%和106.2%。

介观尺度结晶形貌对XLPE电缆绝缘击穿特性影响研究

为了研究XLPE材料的介观尺度结晶形貌对其交流击穿特性的影响并分析其作用机理,通过控制样品在降温结晶过程中的降温速率,制备得到了具有不同结晶形貌的XLPE试样。同时,通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对试样的结晶结构与形貌进行了表征和观测,并使用宽频介电谱仪、三电极系统和交流击穿系统对其介电性能进行测试。最后,结合仿真模拟的手段对试验结果进行验证及机理分析。结果表明:减小降温速率可以延长结晶时间,使分子链规则排列堆叠形成大尺寸球晶,晶区面积占比较高且结构相对完善。结晶结构的完善使XLPE试样的相对介电常数小幅上升,电导率降低,击穿强度及其稳定性显著提升。仿真与试验结果相一致,介观尺度下试样内部完善的结晶形貌降低了球晶间的电场畸变程度,抑制了局部放电与击穿的发生。

基于多孔隙触发的三电极场畸变开关设计与实验研究

场畸变开关是脉冲功率系统的关键器件,其低时延和低抖动性能参数是输出高幅值、快前沿脉冲的重要保障。在Marx发生器前级所用的场畸变开关,其要求时延和抖动尽可能小,才能保证Marx发生器装置输出特性具有快前沿、低抖动的稳定性。单孔触发电极的场畸变开关由于初始有效电子产生和扩散较慢导致时延较长,多孔触发电极结构的提出在一定程度上可以降低时延,但是抖动会增大,对于多孔触发电极场畸变开关如何同时保证低时延和低抖动需要进一步研究。因此,该文通过对传统单孔触发电极结构进行优化改进,提出了改变孔径大小和孔的个数的优化组合设计用于实现低时延,同时还显著地改善了抖动。实验结果表明:5 mm十六孔触发电极结构的场畸变开关在工作系数为71.1%~85.3%时,即工作电压在20~24 kV时,时延在45.2~41.1 ns之间,抖动在6.87~5.87 ns之间,相较于传统的单孔触发电极结构,其时延和抖动分别下降了14.8%和16.1%,性能提升明显。该文所设计的场畸变开关满足工程应用需求,为研究多孔型场畸变开关的性能提供了新思路。

储粮品质检测评价方法研究进展

品质检测评价是粮食储藏管理工作中的关键环节,一直是研究人员高度关注的热点研究领域,其在保障粮食储藏安全以及加工制品中发挥至关重要的作用。为了今后更好地开展相关工作,本文首先回顾常规基于光学、声学、介电、理化等特性和挥发性物质的储粮品质检测评价方法的研究进展;然后阐述当前新型检测技术如强磁场、激光诱导击穿光谱、核磁共振波谱以及扫描电子显微镜在储粮品质评价中的应用,并对比分析各种技术方法的优缺点;最后展望储粮品质检测评价方法的未来研究方向。

稀土离子掺杂0.6BaTiO_(3)-0.4Bi(Mg_(1/2)Ti_(1/2))O_(3)陶瓷的储能性能研究

弛豫铁电陶瓷由于优异的介电和储能性能,在陶瓷储能电容器中具有较大的应用潜力。本文采用固相烧结法制备了0.05 mol Nd^(3+)、Sm^(3+)和Gd^(3+)稀土离子掺杂的0.6BaTiO_(3)-0.4Bi(Mg1/2Ti1/2)O3陶瓷。结果表明,所有陶瓷均表现为典型的弛豫铁电体,其中Nd^(3+)掺杂的陶瓷样品具有最小的介电损耗,获得了最大的击穿场强(350 kV/cm)和储能效率(94.38%);Gd^(3+)掺杂的陶瓷样品具有最大的介电常数,获得了最高的可恢复储能密度(4.33 J/cm^(3))。

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。

不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿特性

在球-球和尖-板电极下测量了新型环保绝缘混合气体CF_(3)SO_(2)F/N_(2)和CF_(3)SO_(2)F/CO_(2)的工频击穿电压,分析了气压、电极间距和电场不均匀度等因素对混合气体工频击穿特性的影响,并与SF_(6)进行了对比。结果表明:稍不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿电压与气压为正向线性关系,随间距增长击穿电压出现微弱的饱和趋势。极不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿电压随气压变化呈现“上升-下降-上升”的“驼峰”曲线,“驼峰”峰值对应的气压值在0.2~0.35 MPa之间。其中CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的工频击穿电压整体大于CF_(3)SO_(2)F/CO_(2)混合气体。在0.3 MPa及以上,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体在极不均匀电场下仍可保持较高的相对SF_(6)绝缘水平,具备良好的应用潜力。

具有多段分裂栅的屏蔽栅沟槽型MOSFET特性研究

为了能够有效调制屏蔽栅沟槽型(Shielded Gate Trench,SGT)MOSFET器件阻断状态下的电场分布,改善器件的电荷耦合效应,从而提高器件击穿电压(BV)和特征导通电阻(Ron,sp)之间的折衷关系,研究提出了一种具有多段分裂栅的SGT MOSFET结构。该结构是将传统的SGT MOSFET沟槽中的屏蔽栅分裂成三部分,最上层的屏蔽栅接源极,中间和最下层的屏蔽栅为浮空,分别命名为UFG和LFG。新结构器件在阻断状态下可以在n型漂移区引入两个额外的电场峰值,使得电场分布更加均匀。Sentaurus TCAD软件仿真结果显示,在元胞参数相同的条件下,相较传统SGT MOSFET,具有双段浮空栅(DSFSGT)MOSFET的BV和优值(Figure of Merit,FOM)分别提高了37.7%和66.7%,BV达到了173.6 V,FOM达到了177.3 V2/(mΩ·mm^(2));相较单段浮空栅(SFSGT)MOSFET,BV和优值分别提高了10.7%和19.8%。