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金属微粒影响三电极气体火花开关击穿过程的仿真研究

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物理学报 2024年第1期73卷 248-257页

作者：周鑫淼张博雅陈立李兴文西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

气体火花开关在脉冲功率技术中得到了大量应用,但由于脉冲功率技术大电流高电压的特点,气体火花开关在使用过程中很容易对电极表面造成烧蚀,烧蚀产生的金属微粒会显著影响开关的稳定性和可靠性.本文首先针对大气压氮气环境下的三电极气... 详细信息

气体火花开关在脉冲功率技术中得到了大量应用,但由于脉冲功率技术大电流高电压的特点,气体火花开关在使用过程中很容易对电极表面造成烧蚀,烧蚀产生的金属微粒会显著影响开关的稳定性和可靠性.本文首先针对大气压氮气环境下的三电极气体火花开关放电过程进行建模,对触发极边缘高场强区域的电离系数进行修正,使用场致电子发射电流模拟初始电子产生的过程,深入探究开关导通的物理机理,详细叙述开关击穿过程各阶段的放电形态.接着研究了金属微粒对于击穿过程的影响,研究表明金属微粒的存在增强了触发极附近的电场,加速了初始电子云的产生,同时金属微粒与触发极之间会率先击穿,并成为后续流注发展的源头.除此之外,金属微粒对于流注的传播具有阻碍作用,使放电通道产生分支.最后本文讨论了不同形状以及尺寸的金属微粒对于放电过程的影响,这些都为进一步研究三电极气体火花开关放电过程以及金属微粒诱发开关击穿的物理机理提供了理论支撑.

关键词：流注放电气体火花开关金属微粒场致发射

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电极间隙对脉冲电场处理器杀菌效果的影响

高电压技术 2024年第4期50卷 1760-1768页

作者：田野樊文硕卢伟健张冠军常正实西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049 广东西安交通大学研究院顺德528300

脉冲电场是新型非热杀菌技术,杀菌效率高、有效保留液体食品的营养成分,具有广阔的应用前景。电极间隙作为脉冲电场杀菌处理器的关键指标,决定处理器的电场分布和杀菌效果。为了获得最佳间隙参数,提升杀菌效果,为此设计了共场型脉冲电... 详细信息

脉冲电场是新型非热杀菌技术,杀菌效率高、有效保留液体食品的营养成分,具有广阔的应用前景。电极间隙作为脉冲电场杀菌处理器的关键指标,决定处理器的电场分布和杀菌效果。为了获得最佳间隙参数,提升杀菌效果,为此设计了共场型脉冲电场处理器,电极间距分别为3、5和7 mm,针对固定电导率(等效鲜榨柚子汁电导率)的2种典型细菌(金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)菌悬液,研究了脉冲电场的杀菌效果。研究发现,3 mm电极间距所能施加最大电压为18 kV,5、7 mm的可达30 kV;处理时间为120 s时,3种间隙的杀菌效率均可达99.99%。因此,综合考虑电源性能、设备能耗和处理能力,首选3 mm电极间距为处理器的应用参数。评估外施电压幅值对杀菌效果的影响,发现细菌存活量的下降趋势可根据其下降速率分为“慢-快-慢”3个阶段。结合菌悬液上清液蛋白质含量的上升趋势,充分说明了电穿孔应为脉冲电场的主要杀菌机制。

关键词：脉冲电场杀菌电极间隙处理器结构杀菌效果电穿孔

微波离子推力器中磁场发散区电子加热模式研究

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物理学报 2024年第9期73卷 199-203页

作者：付瑜亮张思远杨谨远孙安邦王亚楠西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

在微波离子推力器的磁场结构设计中,一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子,有利于提高能量利用率;减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失,有利于降低放电损耗.随着一体化仿真研究深入,发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电... 详细信息

在微波离子推力器的磁场结构设计中,一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子,有利于提高能量利用率;减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失,有利于降低放电损耗.随着一体化仿真研究深入,发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子,使其在鞘层与磁镜间往复运动获能.对此,本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构,并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真,对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式.该获能模式可提升磁场发散区的电子温度,促进电离,提升栅极前等离子体密度,进而提升束流密度.仿真结果表明,在氙气流量0.3 sccm(1 sccm=1 mL/min),微波功率为1 W,栅极电压φ_(sc)/φ_(ac)=300 V/–50 V条件下,磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%.本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证,研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据,促进微波离子推力器性能提升.

关键词：电子回旋共振离子推力器电子约束电子加热

基于时域BLT方程的带绝缘线缆束场-线耦合模型

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高电压技术 2024年第2期50卷 758-764页

作者：席志豪梁涛谢彦召郭洁西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049 西安交通大学电气工程学院西安710049

为研究外场辐照下复杂线缆系统(多导体、非线性负载、带绝缘层)终端电压/电流时域响应特性规律,提出了复杂线缆束在入射场激励下的终端响应建模方法。研究在时域内重塑多导体BLT方程,在兼顾计算效率、易于向线缆网络扩展的基础上,解决... 详细信息

为研究外场辐照下复杂线缆系统(多导体、非线性负载、带绝缘层)终端电压/电流时域响应特性规律,提出了复杂线缆束在入射场激励下的终端响应建模方法。研究在时域内重塑多导体BLT方程,在兼顾计算效率、易于向线缆网络扩展的基础上,解决了线缆束端接非线性负载的终端时域响应求解问题;并通过引入介质层系数,修正了BLT方程源矢量项,解决了常规BLT方程忽视绝缘层对入射场畸变效应而导致的误差问题。最后,将计算结果同时域有限差分法和有限积分法计算结果进行对比,验证了模型在处理复杂线缆场线耦合问题上的准确性。

关键词：时域BLT方程线缆束场线耦合非线性负载介质层系数

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基于电介质薄膜的器件自愈性能的研究现状

高电压技术 2024年第6期50卷 2283-2296页

作者：吴锴徐子航张琛吕泽鹏西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

随着能源与电力技术的不断发展,对电容器的需求越来越大,而各种资源的稀缺强调了利用各种能源的必要性,对于各种储能器件如金属化薄膜电容器以及基于电活性聚合物(electroactive polymers,EAP)的能量转换装置提出了更高的要求。然而这... 详细信息

随着能源与电力技术的不断发展,对电容器的需求越来越大,而各种资源的稀缺强调了利用各种能源的必要性,对于各种储能器件如金属化薄膜电容器以及基于电活性聚合物(electroactive polymers,EAP)的能量转换装置提出了更高的要求。然而这两类装置却极易发生电击穿,在工作循环中有着极高的故障率,因此器件的自愈性具有十分重要的意义。文中综述了金属化薄膜电容器和EAP能量转换装置自愈性能的国内外研究现状,首先重点关注了金属化薄膜电容器中自愈理论发展以及各种关键参数对自愈的影响,其自愈最为稳定且研究相对完善。随着介电弹性体的兴起,想要其拥有自愈性能,参考金属化薄膜电容器的结构是一个可行的思路。但如何使得金属电极满足大应力大形变的需求成为一种柔性电极是一个很大的挑战。碳电极是弹性体中应用最为广泛的电极材料,它拥有极好的形变能力,但对于其自愈性能的深入研究较少且缺乏成熟的理论支撑,使得其在工业领域中难以应用和改善。最后总结对比了金属电极以及碳电极在自愈性能上的差异,并预测了可自愈柔性电极新的发展方向,进一步拓展自愈性的器件在工业领域中的应用。

关键词：自愈性能金属化薄膜电容器电活性聚合物金属电极碳基电极

半互穿网络结构提升聚偏氟乙烯基材料储能温度稳定性

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高电压技术 2024年第6期50卷 2374-2381页

作者：刘泳斌徐雅婷吴明高景晖钟力生西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

随着新能源汽车和油气勘探等高温环境对电储能器件的需求迅速增长,对储能电容器的小型化与高温化要求越来越高。常见的极性介质材料能够实现高储能密度特性,但是随着温度的升高其介电性能严重降低;而常见的高温聚合物,虽然高温介电性能... 详细信息

随着新能源汽车和油气勘探等高温环境对电储能器件的需求迅速增长,对储能电容器的小型化与高温化要求越来越高。常见的极性介质材料能够实现高储能密度特性,但是随着温度的升高其介电性能严重降低;而常见的高温聚合物,虽然高温介电性能温度稳定性良好,但是极化响应较低。为此研究了利用半互穿交联聚合物共混方法,在具有高介电性能的聚偏氟乙烯中引入具有高玻璃化转变温度与高击穿强度的聚甲基丙烯酸酯,构建互穿交联网络结构协同提高储能性能及其温度稳定性。通过差示扫描量热法和X射线衍射结果发现形成的半互穿交联聚合物无定形区温度稳定性随聚甲基丙烯酸酯含量增加而增强。获得的最优组分在30~120℃范围内同一电场强度下的储能密度与效率控制在6.9~7.6 J/cm~3与81%~59.7%,储能密度随温度的相对变化率在11.2%,高于大部分铁电聚合物。

关键词：储能聚合物互穿网络共混温度稳定性聚偏氟乙烯

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交流电场下变压器油中贴壁气泡形变特性

高电压技术 2024年第2期50卷 816-824页

作者：张哲滔张锐郭冲张乔根西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

气泡是油纸绝缘系统的典型缺陷,会显著地降低变压器油的绝缘性能。为了明晰气泡对油纸绝缘系统的危害,搭建了油中贴壁气泡动力学观测平台,研究吸附于电极表面的气泡在交流电场中的形变特性及影响规律。结果发现:油中贴壁气泡沿电场方向... 详细信息

气泡是油纸绝缘系统的典型缺陷,会显著地降低变压器油的绝缘性能。为了明晰气泡对油纸绝缘系统的危害,搭建了油中贴壁气泡动力学观测平台,研究吸附于电极表面的气泡在交流电场中的形变特性及影响规律。结果发现:油中贴壁气泡沿电场方向拉伸并以100 Hz的频率进行脉动变形;随着电场强度、气泡半径和温度的增大,气泡的变形程度也逐渐增大。基于相场方法搭建了气液两相流仿真模型,仿真与实验结果相互验证,揭示了气泡变形的本质为电场力和表面张力作用的平衡。气泡会影响油隙电场分布,其内部场强随气泡沿电场方向的拉伸而降低。该文研究可为深入评估气泡对液体绝缘的危害和变压器的绝缘设计提供参考。

关键词：变压器油交流电场贴壁气泡形变特性相场方法

基于全桥型MMC的开关序列切换方法及IGBT开路故障诊断策略

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高电压技术 2024年第4期50卷 1608-1620页

作者：武鸿王跃刘熠李鹏坤西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MM... 详细信息

全桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因具备直流故障穿越能力受到广泛关注,但全桥子模块(full-bridge submodule,FBSM)中更多的开关器件数量对MMC的运行可靠性带来了巨大挑战。针对于此,首先提出了基于全桥型MMC的开关序列(switching sequence,SS)切换方法,通过增加一种子模块(submodule,SM)切除状态,能在不额外增加开关损耗的基础上,使所有类型IGBT开路故障均能够体现故障特性。进一步,分析了所提SS切换方法下的故障特点,并提出了IGBT开路故障诊断策略。所提策略通过判断SS计数是否超出阈值对故障进行检测,并定位故障SM,之后基于SS计数的正负或电容电压变化值进一步辨别故障类型。所提故障诊断策略能够准确检测出IGBT故障,定位出发生IGBT开路故障的SM,并辨别其故障类型,有利于主动运维。此外,所提策略无需额外硬件,并可在一个工频周期(20 ms)内完成对所有故障的准确诊断。最后通过硬件在环平台验证了所提SS切换方法及IGBT开路故障诊断策略的有效性。

关键词：模块化多电平换流器全桥子模块开路故障诊断开关序列故障类型开关损耗

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三元复合聚丙烯电介质材料性能调控研究进展

高电压技术 2024年第6期50卷 2332-2343页

作者：程璐刘宏博刘标迟晓红刘文凤李盛涛西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

当前快速增长的能源需求要求电力设备具有更高运行电压、更大容量、更小体积,因此要求聚丙烯等介质材料实现电学、机械和热学等多种性能的协同提升的同时,兼顾加工性、环保性、经济性等优势。针对聚丙烯单一性能提升方面的研究取得了显... 详细信息

当前快速增长的能源需求要求电力设备具有更高运行电压、更大容量、更小体积,因此要求聚丙烯等介质材料实现电学、机械和热学等多种性能的协同提升的同时,兼顾加工性、环保性、经济性等优势。针对聚丙烯单一性能提升方面的研究取得了显著成效,而多性能协同提升成为了近年来的研究重点和难点,其中将共混改性和纳米复合改性两种方法结合,构筑三元复合聚丙烯的性能调控思路具有突出优势。文中基于电缆绝缘和电容器薄膜两个典型的聚丙烯应用场景,对“聚丙烯/有机物/纳米粒子”三元复合聚丙烯的研究进展进行了总结梳理,进一步阐明了三元复合聚丙烯绝缘性能与机械性能协同提升的机理,建立了三元复合聚丙烯储能密度与介电损耗平衡调控的演化模型,最后对三元复合聚丙烯未来的发展提出了展望。

关键词：聚丙烯电介质纳米复合电缆电容器