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Design and 3D printing of porous cavity insulation structure for ultra-high electrical withstanding capability

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High Voltage 2023年第4期8卷 717-727页

作者： Xiong Yang Guangyu Sun baipeng song Wenhu Han Chao Wang Wendong Li Shu Zhang Falun song Fangzheng Zou Guanjun Zhang State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment School of Electrical EngineeringXi'an Jiaotong UniversityXi'anChina Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL) Swiss Plasma Center(SPC)LausanneSwitzerland Institute of Applied Electronics China Academy of Engineering PhysicsMianyangChina

Vacuum-dielectric interface is the most vulnerable part of vacuum insulation systems where surface electrical breakdown is prone to happen,hence severely restricts the development of advanced electro-vacuum devices with large capacity and its ***,a direct and effective way to improve vacuum surface insulation is to alleviate the initiation and development of multipactor *** by this approach,the authors report a 3D-printed insulation structure designed with a millimetrescale surface cavity covered by periodic through-pore array via stereolithography,exhibiting remarkable multipactor suppression and flashover threshold improvement,well outperforming the conventional flashover mitigation *** and simulations demonstrate that electrons in the multipactor region pass through-pores and are unlikely to escape from the cavity,hence no longer participate in the above-surface multipactor process,and eventually improve flashover *** proposed approach provides new inspiration for the design of advanced insulators featuring ultrahigh electrical withstanding capability and brings up new insight into pertinent industrial applications.

关键词： insulation electrical hence

气液混相水中脉冲放电过氧化氢生成规律的研究

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高电压技术 2019年第12期45卷 4130-4136页

作者：张梦瑶温嘉烨李元宋佰鹏张冠军西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室

水中脉冲放电技术可产生过氧化氢(H2O2)等高氧化电位的活性物质,在工业废水处理、生物灭菌和医疗领域具有广阔的应用前景。为此采用介质涂覆的柱-筒电极结构,在气/液混相条件下,探究了通气种类(氧气和氩气)与气体流速对H2O2生成速率和光... 详细信息

水中脉冲放电技术可产生过氧化氢(H2O2)等高氧化电位的活性物质,在工业废水处理、生物灭菌和医疗领域具有广阔的应用前景。为此采用介质涂覆的柱-筒电极结构,在气/液混相条件下,探究了通气种类(氧气和氩气)与气体流速对H2O2生成速率和光-电特性的影响。实验结果表明通气时气泡内部的微放电有利于活性物质生成,不同气体流速会影响H2O2的生成速率。过高的气体流速会导致液相扰动影响放电通道形成,降低H2O2产率。不同通气种类对H2O2生成也有较大影响,由于氧气电子亲和能较大,相比氩气更易吸附电子,导致氧气气流经过放电通道时出现通道“截断”现象。氧气发生放电反应生成氧化电位较高的自由氧原子与水剧烈反应生成羟基自由基(·OH)从而使H2O2的产率提升较为明显。在该研究条件下氧气体积流量为0.6 L/min时,H2O2生成速率最大;通入氩气时,上升气流在液面处积聚大量的气泡,气泡内放电现象较为明显,但与通氧气相比,通氩气对放电过程中H2O2生成速率提升较小,该研究条件下氩气体积流量为0.3 L/min时H2O2生成速率最大。

关键词：水中放电过氧化氢气液混相放电流注放电火花放电

3D打印构筑随机表面微结构调控绝缘的真空沿面闪络特性

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高电压技术 2022年第12期48卷 4739-4749页

作者：杨雄宋佰鹏杨宁黄昆孙光宇张冠军西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 中国电力科学研究院有限公司电网环境保护国家重点实验室武汉430074

表面形貌调控被认为是提升真空绝缘闪络电压的有效举措之一,但常用表面粗化技术的效果具有较高的随机性,可控的调控方法和制备技术仍是亟需解决的技术难题。为此,采用基于路径追踪算法的仿真手段获得二次电子产率(secondary electron yi... 详细信息

表面形貌调控被认为是提升真空绝缘闪络电压的有效举措之一,但常用表面粗化技术的效果具有较高的随机性,可控的调控方法和制备技术仍是亟需解决的技术难题。为此,采用基于路径追踪算法的仿真手段获得二次电子产率(secondary electron yield,SEY)可调的随机微结构表面;利用立体光固化成型3D打印技术实现了随机微表面结构的精准制备;通过闪络电压及表面电荷特性的表征手段,结合仿真结果,系统分析了表面形貌参数对闪络的影响。结果表明:改变表面形貌参数可以设计出SEY可调的微结构表面;分析认为,微结构通过影响电子与材料表面的碰撞过程,对二次电子倍增及表面电荷积聚行为产生影响,进而对闪络电压产生影响;改变表面形貌参数可以有效调控绝缘子的闪络强度,SEY越小闪络电压越高(最大差距达92.7%)。研究成果有望为真空绝缘系统中的固体绝缘设计提供新的思路。

关键词：真空闪络表面随机微结构 3D打印二次电子发射系数表面电荷

真空高功率微波介质窗表面击穿破坏现象的研究进展

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强激光与粒子束 2012年第1期24卷 16-23页

作者：郝西伟宋佰鹏张冠军秋实黄文华秦风金晓西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 西北核技术研究所西安710024 中国工程物理研究院应用电子学研究所四川绵阳621900

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面,介绍了国外最具代表性的研究成果,给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律,并提出相应的理论模型。在理论仿真方面,重点介... 详细信息

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面,介绍了国外最具代表性的研究成果,给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律,并提出相应的理论模型。在理论仿真方面,重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献,给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态,并提出了一个理论模型,从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。

关键词：高功率微波介质窗表面击穿蒙特卡罗模拟 PIC模拟倍增放电

高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

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强激光与粒子束 2014年第6期26卷 271-275页

作者：宋佰鹏范壮壮苏国强穆海宝张冠军刘纯亮电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安710049 电子物理与器件教育部重点实验室(西安交通大学) 西安710049

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子... 详细信息

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。

关键词：高功率微波二次电子倍增介质窗沿面闪络矩形槽

聚酰亚胺表面纳米复合层构筑及其抑制强电磁场诱发真空沿面放电机理

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中国电机工程学报 2023年第12期43卷 4840-4850页

作者：杨雄周润东杨宁黄昆王超李文栋宋佰鹏张冠军电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049 电网环境保护国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司) 湖北省武汉市430074

航天器运行在恶劣的空间环境中容易引发充放电现象,而叠加电磁场会导致其在较低的充电电位下发生放电,严重威胁航天器的安全运行。为揭示强电磁场诱发真空沿面放电的机理并提出抑制方法,该文采用离子交换方法对聚酰亚胺(polyimide,PI)... 详细信息

航天器运行在恶劣的空间环境中容易引发充放电现象,而叠加电磁场会导致其在较低的充电电位下发生放电,严重威胁航天器的安全运行。为揭示强电磁场诱发真空沿面放电的机理并提出抑制方法,该文采用离子交换方法对聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜表面进行改性处理,并基于搭建的强电磁场诱发真空沿面放电平台,结合表面陷阱、二次电子发射系数(secondary electron emission yields,SEEY)等表征手段,系统分析表面改性对抑制强电磁场诱发PI薄膜沿面放电的机理。结果表明:改性后的PI表面引入大量浅陷阱,显著降低PI薄膜的表面电阻率和SEEY,并提升了材料表面电荷的积聚与消散速率。同时,浅陷阱的引入降低了PI薄膜的SEEY和直流场下的极化能,抑制气体的解吸附与电离及二次电子倍增过程,从而显著提升了PI薄膜在抑制强电磁场诱发真空沿面放电方面的能力。该研究有望为强电磁场诱发航天器表面沿面放电的防护设计提供参考。

关键词：沿面闪络聚酰亚胺强电磁场诱发放电界面陷阱二次电子发射

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介电功能梯度材料在电气绝缘领域的研究进展

中国电机工程学报 2017年第14期37卷 4232-4245页

作者：张冠军李文栋刘哲苏国强宋佰鹏解瑞东邓军波电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049

介电功能梯度材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)是一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料。在电气绝缘领域,d-FGM可通过调节材料介电常数或电导率的空间分布,实现电场分布的有效调控,进而显著提升绝缘结构... 详细信息

介电功能梯度材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)是一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料。在电气绝缘领域,d-FGM可通过调节材料介电常数或电导率的空间分布,实现电场分布的有效调控,进而显著提升绝缘结构的耐电强度。相对于传统绝缘设计中结构优化与材料改性相对分离的情况,d-FGM创新性地将两者有机结合起来,有望带来绝缘设计理念的变革。该文分析了d-FGM在电气绝缘领域的应用原理,综述了其研究进展,并进一步从d-FGM设计、制备、性能评价(包含介电特性无损检测、放电起始及发展物理机制探索)等方面,阐述了d-FGM研究中的关键科学问题及解决思路,以期对电气绝缘d-FGM的学术研究及工程应用起到指导和促进作用。

关键词：功能梯度材料固体绝缘耐电强度电场优化三维打印层析成像放电特性

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真空沿面闪络全局模型与数值仿真综述

高电压技术 2023年第9期49卷 3801-3811页

作者：孙光宇张建威杨雄王超张舒郭宝烘黄昆连汝慧宋佰鹏张冠军西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室瑞士联邦理工学院(洛桑) 瑞士等离子体中心西安理工大学电气工程学院

数值模拟技术广泛应用于真空沿面闪络机理及其抑制的研究中。文章回顾总结了真空沿面闪络全局模型与数值仿真所涉及的物理过程、常用建模方法、技术难点以及相应解决手段，并对真空闪络数值仿真的后续发展进行了讨论。首先介绍了基于二... 详细信息

数值模拟技术广泛应用于真空沿面闪络机理及其抑制的研究中。文章回顾总结了真空沿面闪络全局模型与数值仿真所涉及的物理过程、常用建模方法、技术难点以及相应解决手段，并对真空闪络数值仿真的后续发展进行了讨论。首先介绍了基于二次电子发射雪崩理论的真空闪络全局模型，详细分析阴极三结合点处电子发射、介质表面二次电子倍增、介质表面气体解吸附以及最终沿面等离子体形成所包含的各物理过程，并按照闪络起始、发展和击穿，分3阶段介绍了对应粒子仿真所采用的建模理论、算法细节与仿真研究所得结果，主要包括阴极三结合点场致电子发射、介质二次电子发射、解吸附气体输运、电子-中性粒子碰撞等物理过程。文章随后回顾了基于全局模型的真空闪络抑制方法，主要包括通过电场优化降低场致发射，构造阻碍二次电子崩发展的表面微结构，以及抑制介质气体解吸附，并讨论了数值仿真在闪络抑制手段验证、开发中的重要作用。最后针对性地对其它非粒子模拟的分阶段闪络建模方法及其后续发展进行了讨论，包括动理学模型、流体模型、混合仿真模型以及体内体表联合模型。

关键词：沿面闪络真空二次电子发射阴极三结合点粒子仿真

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表面微孔阵列结构调控二次电子发射特性研究

空间电子技术 2022年第4期19卷 99-106页

作者：黄昆杨宁杨雄邹方正宋佰鹏张冠军西安交通大学电气工程学院中国电力科学研究院有限公司电网环境保护国家重点实验室

固体介质的二次电子发射受到材料成分、元素构成、表面状况等因素影响，其中表面状况对于二次电子发射系数起着至关重要的作用，表面微结构调控入射电子在材料表面的运动状态和碰撞频率，进而影响二次电子发射。基于粒子路径追踪算法，... 详细信息

固体介质的二次电子发射受到材料成分、元素构成、表面状况等因素影响，其中表面状况对于二次电子发射系数起着至关重要的作用，表面微结构调控入射电子在材料表面的运动状态和碰撞频率，进而影响二次电子发射。基于粒子路径追踪算法，建立了一次电子与材料表面碰撞模型，研究了微孔阵列结构参数对二次电子发射系数的调控机制，分析了微孔阵列单元深度、孔径和面积占比的影响规律。研究发现，通过设置合理的结构单元深度和宽度，可以实现对二次电子发射系数的调节。单元孔径宽度为2mm、深度为5mm、数目为169时，二次电子发射系数降低了57%。研究结论可为脉冲功率、航天领域的沿面放电机理分析和抑制提供理论和数据支撑。

关键词：微孔阵列结构二次电子发射系数路径追踪