真空中脉冲电压下聚合物绝缘材料的表面电荷及沿面放电现象研究

聚合物材料广泛应用于脉冲功率设备中，但沿其表面的放电/闪络现象严重制约了设备的绝缘性能，尤其是真空氛围应用场合。这一现象一直是国际研究热点，但至今对其认识还不够清楚。本课题拟借助Pockels电光效应表面电荷实时测量技术，从绝缘材料沿面放电的电荷特性出发，结合绝缘材料的表面及体内特性，对聚合物材料沿面闪络过程进行研究。课题采用实验和理论仿真相结合的方法，通过测量聚合物材料在脉冲电压下沿面闪络过程中的表面电荷动态分布特性，分析闪络发展过程中电荷时空分布变化与闪络现象的关系；结合测量聚合物表面陷阱、二次电子发射及气体解吸附等参数，分析材料特性对表面电荷分布及放电过程的影响；进而通过理论分析和数值仿真研究真空中聚合物闪络前后的电荷行为，并与实测结果比对验证。本项目旨在深入认识和理解闪络进展过程中聚合物材料的表面带电现象以及沿面放电/闪络发生和发展过程的物理机制，有助于脉冲功率装置真空绝缘的设计。

本课题借助Pockels电光效应表面电荷测量技术，研究了绝缘材料沿面放电的电荷特性，结合测量材料表面陷阱、二次电子发射及气体解吸附等参数，分析材料特性对表面电荷分布及放电过程的影响。通过测量在脉冲电压下的绝缘材料表面电荷动态分布特性以及闪络过程中的发光特性，深入分析了闪络起始及发展过程。本项目旨在深入认识和理解闪络进展过程中绝缘表面带电现象以及沿面放电/闪络发生和发展过程的物理机制，有助于真空绝缘设备的设计。.本课题开展了如下四个方面的研究：. (1).典型聚合物绝缘材料表面特性研究.测量了聚合物聚乙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE）和有机玻璃（PMMA）和交联聚苯乙烯（XLPS）等典型材料的电学特性，表面陷阱、二次电子发射系数以及材料的气体解吸附特性。. (2).聚合物材料表面电荷动态分布特性的研究.设计搭建了Pockels效应表面电荷测量系统，并对PE、XLPS、PTFE进行表面电荷特性的测量，得到不同材料表面电荷动态分布特性，结果显示：在针板电极作用下，负极性放电电荷分布主要在针电极附近，呈现盘状分布，电荷随着距针电极的距离增加而减少，电荷电场切向分量呈现中心低而周围高的形状。正极性放电时，针电极附近电荷密度最高，同时其它边缘区域也出现了正电荷，分布区域范围也超出视场之外，水平场强最强位置在观察范围的边缘处。. (3).真空中绝缘材料沿面闪络起始过程发光特性研究.利用非对称的电极结构来研究沿面闪络过程中发光现象，结合前面的电荷测量结果研究真空沿面闪络的基本过程。研究显示：沿面闪络一般从阴极开始发展，为阴极起始闪络；但阳极附近电场强度远高于阴极附近电场强度，阳极附近会先于阴极附近发生放电，发生阳极起始闪络，但阳极放电一般被限制在阳极附近一个很小的区域，最终放电通道的形成依然为从阴极发展到阳极。. (4) 绝缘材料表面带电和电荷积聚过程仿真研究.采用Monte Carlo方法对绝缘材料的表面电荷积聚过程进行了仿真计算，考察了起始阶段电荷积聚的变化过程。研究显示，在一定场强下材料表面的电荷积累会出现动态平衡。外施加电场增加会使得平衡破坏，但又会迅速建立新的平衡，电荷的发展形成 “step by step”发展过程。随着电场继续增大，电子碰撞材料表面强度加剧，使得材料表面吸附气体大量解吸附并电离，最终形成闪络。