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真空—绝缘体交界面是一个物理性质和化学性质均不同于真空状态和绝缘介质内部的物质相,真空绝缘沿面闪络现象的存在严重制约着高压真空电气设备的耐压能力。基于脉冲功率技术高电压、大电流、窄脉宽的发展趋势,高压纳秒脉冲真空绝缘沿面闪络特性研究具有非常重要的实践意义。 基于Marx发生器及单同轴脉冲形成线,设计并建立了一套用于纳秒脉冲(10ns/30ns)真空绝缘沿面闪络特性研究的实验平台,以聚四氟乙烯、尼龙和有机玻璃等绝缘材料为研究对象,对气压、绝缘体形状、电极材料、电极与绝缘体接触方式等因素对沿面闪络特性的影响进行了全面的实验研究和理论分析,提出真空绝缘结构设计的指导建议。 通过电场数值模拟和理论计算,对实验结果进行分析讨论:(1)阴极三结合点(电极、真空、绝缘体交界处)在真空沿面闪络过程中的作用,不仅限于绝缘体与阴极间存在的微小空隙导致此处电场增强,更为重要的是,靠近三结合点区域的电极表面场致发射电子相比电极其它部位有更多机会与绝缘体表面发生碰撞,参与沿绝缘体表面的电子倍增过程;(2)真空绝缘沿面闪络电压与外加电压随时间的上升速率有关。在直流、交流以及宽脉冲电压波形条件下,电压上升速率相对缓慢,放电时延内电压增幅可忽略不计。纳秒脉冲电压上升速率极大,放电时延内电压增幅较大,纳秒脉冲闪络电压高于其它电压波形;(3)绝缘体表面电荷电场的建立是闪络过程能够持续发展的必要条件。放电之初,绝缘体表面缺乏吸引阴极场致发射电子向绝缘体表面方向发生偏转的正电荷,初始电子与绝缘体表面发生碰撞的几率非常小。绝缘体表面充电需要一定的时间过程,充电时间与外施电压波形有关。真空沿面闪络现象发生的最大阻碍在初始阶段,纳秒脉冲条件下,绝缘体表面充电时间不应忽略。 根据实验研究结果,提出了当气压处于高真空区域(10-4Pa-10-1Pa)时,真空绝缘沿面闪络电压与气压变化无关的结论。高真空条件下,背景环境电子平均自由程远大于极间距离,电子碰撞电离已不可能发生,此时气压与极间距离乘积pd最大值远小于巴申定律适用范围内的pd最小值(100mm·Pa)。沿面闪络发生并非依赖背景环境气体分子,绝缘体表面吸附气体释放是导致闪络发生的关键。根据克努森(Knudsen)余弦漫反射定律,推证固体表面吸附气体层形成非常迅速。由于电子质量与分子质量间的巨大差异,吸附气