加压去离子水短脉冲击穿特性的初步研究

8卷 第4期 第1006年4月 2

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.18,No.4

,Ar.2006 p

文章编号:()001-4322200604-0693-04 1

加压去离子水短脉冲击穿特性的初步研究

贾 伟, 邱爱慈, 孙凤举, 郭建明

(西北核技术研究所,西安7)10024

*

开展了两种短脉冲下高压强水介质开关的击穿实验, 摘 要: 液体的介质气泡击穿理论作为研究基础,获得了水介质击穿场强及耐压时间与水中压强关系的数据,通过分析比较得出:在脉宽300ns和1µs两种脉当水中压强逐渐提高时水介质击穿电压和耐压时间均呈上升趋势,压强越高趋势越明显,而且冲电压作用下,

作用脉冲越宽水中压强对于水介质击穿特性的影响越显著。 关键词: 气泡击穿; 水中压强; 击穿场强; 耐压时间836 文献标识码: 中图分类号: TM A

去离子水常被用来作为脉冲储能的绝缘介质,其击穿特性直接影响装置的体积、重 在高功率脉冲装置中,

量和造价等,从而限制它们的应用。因此,研究提高水介质击穿场强和增加击穿迟滞时间的技术途径具有重要意义。俄罗斯西伯利亚研究院通过实验得到的液体介质气泡击穿理论指出:随着水中压强的提高水介质击穿

1]电压和耐压时间均呈上升趋势;随着作用脉冲的变窄水介质压强对于水介质击穿特性的影响程度将变弱[。

在此理论基础上本文开展了两种脉冲条件下水中压强对水开关击穿特性影响的实验研究,并对两种状态下的数据进行了比较和分析。

1 水介质击穿原理分析

水介质击穿要 根据俄罗斯科学院西伯利亚研究分院通过实验得出的一种解释液体介质击穿的物理模型,

1]

气泡的变形和气泡的膨胀三个阶段。并提出液体中气泡变形的动力学方程为[经过气泡的产生、

2

2[()]()R2+)T)1++=-ppdtout+ps(p

2dtRdtrdtpρρ

式中:σ为气泡表面张力;pd为水中气泡放电产生的电荷因库仑作用而形成的对气泡表面的压pη为液体粘度;

2

强;T为温度;R为气泡初始半径,r为气泡半径。ppout为气泡外部水介质压强;s分别为液体密度和蒸汽压;ρ,)可见,击穿过程中存在三种作用力:一是水压p二是气泡内压p三是因电场力作用而产生的1 由式(out,s,对气泡内壁的压力ppppd;d,out在方程中取负表示对气泡变形起阻碍作用,s前方符号为正表示对气泡变形起pp促进作用。p主要由实验的初始条件决定;pout在水介质击穿发展过程中基本保持恒定,s与实验环境及气泡的形状变化有关,在水介质击穿过程中变化较小;主要由作用脉pd在水介质击穿过程中是一个与时间有关的量,p冲上升沿及脉宽决定。

当气泡顶端的电场强度达到空气的击穿域值Ec时,则水介质中的击穿行为将开始发 在脉冲作用时间内,

生。当脉冲作用时间大于水介质最终击穿所需时间t这里,tttttb=1+2+3(1为气泡产生时间,2为气泡变形时

1]间,/其中d为电极距离,时,水介质将被击穿[。ttdvv3为击穿通道形成时间,3≈break,break为流注发展速度)

2 水介质击穿实验

2.1 实验条件及实验装置

晨光号”加速器作为平台,该平台由M水介质形成线、主开关、水介质传输线和负载五arx发生器、 实验以“

[2]

部分组成,实验装置安装在主开关位置(如图1所示)。其中,分别用来测量A,B,C,D为电压电流测量探头,形成线电压、实验装置后端电压、放电回路总电流和传输线末端电压;文中以探头A所测电压波形作为水介质的击穿波形。

结构见图2)采用针对板电极结构:针状电极长1顶端半球直径530mm,8mm; 实验用水介质自击穿开关(

2005-07-18;2006-02-10*收稿日期: 修订日期:

基金项目:国防科技基础研究基金资助课题

贾 伟(,硕士,主要从事高压脉冲功率技术研究。作者简介:1978-)

Fi.1 Setufpulsebreakdownofthewaterinthepressuregpo

图1 加压水介质脉冲击穿实验装配简图

板状电极为直径8电极间距10mm的圆盘;0mm。玻璃钢拉杆直径3壁厚20mm;2mm的有机玻璃筒所包

[]-4围的腔体在静态下可耐受压强大于1。0MPa3

2.2实验方法

利用手动增压泵对水开关有机玻璃筒所包围的腔体进行注水增压,使腔体内水介质压强可以从0到10采MPa范围内变化。实验过程以1MPa压强为步长,取依次递增的原则逐渐增加腔体内水介质压强,每个状态下进行5至7次水介质击穿实验。

Fi.2 Schematicofthetestcellg

图2 实验装置结构简图2.3 实验结果及分析

脉冲宽度3电压幅值范围1.00ns和1µs可调,0～2.4MV。两种不同脉 实验平台输出脉冲电压参数为:

宽短脉冲电压下,水介质击穿波形如图3所示(由探头A测得)。

Fi.3 Ticalwater-breakdownvoltaewaveformunder300nsand1µspulsegypg

图3 脉宽3()和1µ()脉冲下水介质击穿电压波形00nsasb

即探头A所测电压波形的 文中定义水介质耐压时间为开关起始充电时刻到开关完全导通时刻的时间差,

上升沿部分。将实验所得数据进行处理可得不同脉宽脉冲电压下水介质击穿场强和耐压时间与水中压强关系的比较曲线,如图4所示。因为水中压强作用的结果使水介质击穿场强和耐压时间均得到提高,而且水介质击穿过程中击穿场强的变化受耐压时间影响很大,所以文中采用如图4()纵坐标所示的场强相对值的概念来表a征击穿场强随水中压强的变化趋势,以去除耐压时间随水中压强的变化对击穿场强的影响,更加直观地表现水介质击穿场强与水中压强的关系。其中场强相对值的定义为实验所得水介质击穿场强E与因水中压强变化导致的不同耐压时间下水介质击穿场强理论值Eb的比值。Eb由JCMartin小面积电极间隙水介质击穿场强

/-135]公式[(求得。Eb=160ttg为有效作用时间)g

()和图4()可见,两种脉冲电压下水介质击穿场强和耐压时间均随水中压强的提高而增加。1µabs 由图4

脉冲电压下水介质击穿场强和耐压时间的增加趋势大于3而且这种趋势随压强的提00ns脉冲电压下的情况,高而愈加显著。

影响水介质击穿的主要因素之一p 根据文中水介质气泡击穿的原理可知,d与脉冲上升沿及作用时间有p关。介质击穿起始阶段因为气泡电离的发生气泡表面电荷迅速增多,使pd具有一个初始值。当脉冲上升沿缓p

,

[]]():(6J.强激光与粒子束,2004,166787-790.LianZhanLiX.Rearchon 梁川,章林文,李欣.压力水介质脉冲击穿实验研究[gC,gLW,

():)thepulsedbreakdownofthepressureddeionizedwater.HihPowerLaserandParticleBeams,2004,166787-790g

Preliminartudfthebreakdowncharacteristicsoftheysyo

ressurizeddeionizedwaterundershortpulsevoltaepg

,,,JIAWeiIUAi-ciUNFen-uian-min Q S GUOJgjg

(NorthwestInstituteouclearTechnoloXi'an69-10,Xi'an710024,China)fNgy,

:bstracthebubblebreakdowntheoriesofliuidthatsummarizesoftheexerimentaldataoftheSiberianResearchInsti- A TqptuteofEnereticinRussiaispresentedinthispaer.Thebreakdownexerimentsofthewaterswitchhavebeendoneunderthegpptwoshortpulsedvoltaesof1µsand300ns.Somevaluableexerimentaldataabouttherelationsofthebreakdownelectricfieldgpintensitndthehold-offtimeofpressurizeddeionizedwaterbreakdownhavebeenacuired.Theexerimentalresultsindicateyaqpthatthebreakdownelectricfieldandthehold-offtimeofressurizeddeionizedwaterisenhancedunderthetwoshortulsedvolta-pp,w,eshenthepressureofwaterbetweentheelectrodesincreases.Howevertheeffectsofwaterpressureisdifferentundertheg

;,shortpulsedvoltaesof1usand300nsShorterthepulse-widthislesstheeffectofthepressureis.g

:;;;eordsubblebreakdownressurizeddeionizedwaterlectricfieldintensitfbreakdownold-offtime K B P E Hyoyw

8卷 第4期 第1006年4月 2

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.18,No.4

,Ar.2006 p

文章编号:()001-4322200604-0693-04 1

加压去离子水短脉冲击穿特性的初步研究

贾 伟, 邱爱慈, 孙凤举, 郭建明

(西北核技术研究所,西安7)10024

*

开展了两种短脉冲下高压强水介质开关的击穿实验, 摘 要: 液体的介质气泡击穿理论作为研究基础,获得了水介质击穿场强及耐压时间与水中压强关系的数据,通过分析比较得出:在脉宽300ns和1µs两种脉当水中压强逐渐提高时水介质击穿电压和耐压时间均呈上升趋势,压强越高趋势越明显,而且冲电压作用下,

作用脉冲越宽水中压强对于水介质击穿特性的影响越显著。 关键词: 气泡击穿; 水中压强; 击穿场强; 耐压时间836 文献标识码: 中图分类号: TM A

去离子水常被用来作为脉冲储能的绝缘介质,其击穿特性直接影响装置的体积、重 在高功率脉冲装置中,

量和造价等,从而限制它们的应用。因此,研究提高水介质击穿场强和增加击穿迟滞时间的技术途径具有重要意义。俄罗斯西伯利亚研究院通过实验得到的液体介质气泡击穿理论指出:随着水中压强的提高水介质击穿

1]电压和耐压时间均呈上升趋势;随着作用脉冲的变窄水介质压强对于水介质击穿特性的影响程度将变弱[。

在此理论基础上本文开展了两种脉冲条件下水中压强对水开关击穿特性影响的实验研究,并对两种状态下的数据进行了比较和分析。

1 水介质击穿原理分析

水介质击穿要 根据俄罗斯科学院西伯利亚研究分院通过实验得出的一种解释液体介质击穿的物理模型,

1]

气泡的变形和气泡的膨胀三个阶段。并提出液体中气泡变形的动力学方程为[经过气泡的产生、

2

2[()]()R2+)T)1++=-ppdtout+ps(p

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式中:σ为气泡表面张力;pd为水中气泡放电产生的电荷因库仑作用而形成的对气泡表面的压pη为液体粘度;

2

强;T为温度;R为气泡初始半径,r为气泡半径。ppout为气泡外部水介质压强;s分别为液体密度和蒸汽压;ρ,)可见,击穿过程中存在三种作用力:一是水压p二是气泡内压p三是因电场力作用而产生的1 由式(out,s,对气泡内壁的压力ppppd;d,out在方程中取负表示对气泡变形起阻碍作用,s前方符号为正表示对气泡变形起pp促进作用。p主要由实验的初始条件决定;pout在水介质击穿发展过程中基本保持恒定,s与实验环境及气泡的形状变化有关,在水介质击穿过程中变化较小;主要由作用脉pd在水介质击穿过程中是一个与时间有关的量,p冲上升沿及脉宽决定。

当气泡顶端的电场强度达到空气的击穿域值Ec时,则水介质中的击穿行为将开始发 在脉冲作用时间内,

生。当脉冲作用时间大于水介质最终击穿所需时间t这里,tttttb=1+2+3(1为气泡产生时间,2为气泡变形时

1]间,/其中d为电极距离,时,水介质将被击穿[。ttdvv3为击穿通道形成时间,3≈break,break为流注发展速度)

2 水介质击穿实验

2.1 实验条件及实验装置

晨光号”加速器作为平台,该平台由M水介质形成线、主开关、水介质传输线和负载五arx发生器、 实验以“

[2]

部分组成,实验装置安装在主开关位置(如图1所示)。其中,分别用来测量A,B,C,D为电压电流测量探头,形成线电压、实验装置后端电压、放电回路总电流和传输线末端电压;文中以探头A所测电压波形作为水介质的击穿波形。

结构见图2)采用针对板电极结构:针状电极长1顶端半球直径530mm,8mm; 实验用水介质自击穿开关(

2005-07-18;2006-02-10*收稿日期: 修订日期:

基金项目:国防科技基础研究基金资助课题

贾 伟(,硕士,主要从事高压脉冲功率技术研究。作者简介:1978-)

Fi.1 Setufpulsebreakdownofthewaterinthepressuregpo

图1 加压水介质脉冲击穿实验装配简图

板状电极为直径8电极间距10mm的圆盘;0mm。玻璃钢拉杆直径3壁厚20mm;2mm的有机玻璃筒所包

[]-4围的腔体在静态下可耐受压强大于1。0MPa3

2.2实验方法

利用手动增压泵对水开关有机玻璃筒所包围的腔体进行注水增压,使腔体内水介质压强可以从0到10采MPa范围内变化。实验过程以1MPa压强为步长,取依次递增的原则逐渐增加腔体内水介质压强,每个状态下进行5至7次水介质击穿实验。

Fi.2 Schematicofthetestcellg

图2 实验装置结构简图2.3 实验结果及分析

脉冲宽度3电压幅值范围1.00ns和1µs可调,0～2.4MV。两种不同脉 实验平台输出脉冲电压参数为:

宽短脉冲电压下,水介质击穿波形如图3所示(由探头A测得)。

Fi.3 Ticalwater-breakdownvoltaewaveformunder300nsand1µspulsegypg

图3 脉宽3()和1µ()脉冲下水介质击穿电压波形00nsasb

即探头A所测电压波形的 文中定义水介质耐压时间为开关起始充电时刻到开关完全导通时刻的时间差,

上升沿部分。将实验所得数据进行处理可得不同脉宽脉冲电压下水介质击穿场强和耐压时间与水中压强关系的比较曲线,如图4所示。因为水中压强作用的结果使水介质击穿场强和耐压时间均得到提高,而且水介质击穿过程中击穿场强的变化受耐压时间影响很大,所以文中采用如图4()纵坐标所示的场强相对值的概念来表a征击穿场强随水中压强的变化趋势,以去除耐压时间随水中压强的变化对击穿场强的影响,更加直观地表现水介质击穿场强与水中压强的关系。其中场强相对值的定义为实验所得水介质击穿场强E与因水中压强变化导致的不同耐压时间下水介质击穿场强理论值Eb的比值。Eb由JCMartin小面积电极间隙水介质击穿场强

/-135]公式[(求得。Eb=160ttg为有效作用时间)g

()和图4()可见,两种脉冲电压下水介质击穿场强和耐压时间均随水中压强的提高而增加。1µabs 由图4

脉冲电压下水介质击穿场强和耐压时间的增加趋势大于3而且这种趋势随压强的提00ns脉冲电压下的情况,高而愈加显著。

影响水介质击穿的主要因素之一p 根据文中水介质气泡击穿的原理可知,d与脉冲上升沿及作用时间有p关。介质击穿起始阶段因为气泡电离的发生气泡表面电荷迅速增多,使pd具有一个初始值。当脉冲上升沿缓p

,

[]]():(6J.强激光与粒子束,2004,166787-790.LianZhanLiX.Rearchon 梁川,章林文,李欣.压力水介质脉冲击穿实验研究[gC,gLW,

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