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蓖麻油脉冲绝缘性能及其在Tesla型脉冲发生器中的应用研究

作　者: 张华
导　师: 杨汉武；张自成
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 蓖麻油脉冲功率电极重复频率液体压强 Tesla变压器
分类号: TN782
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

介质的绝缘性能对脉冲功率系统的性能起着关键作用。本论文对蓖麻油在不同电极条件、不同脉冲重复频率以及不同液体静压强等条件下对蓖麻油在微秒脉冲尺度下的绝缘性能进行了研究,并分析了蓖麻油在Tesla型脉冲发生器中的应用。论文主要包括以下几个方面:1、蓖麻油击穿系统的设计与仿真设计制作了一套液体介质耐压性能测试试件,试件结构合理,可以0.01 mm精度调节电极间距,并包含击穿电压、电流测量探头。对实验中经常出现的干扰、击穿试件高压端表面放电以及电极间介质状态的保持等问题,分别采用了屏蔽、浸油以及采用油循环等方法予以解决。仿真结果与实验结果趋势一致。2、蓖麻油击穿影响因素统计分析采用Weibull分布模型研究了击穿的概率分布。在均匀场作用下,测得蓖麻油的直流击穿场强约为20 kV/mm,单脉冲击穿场强约为73.5 kV/mm;极不均匀场情况下,针电极为正电极时击穿电压高于针电极为负电极情况,并且得到了击穿场强分别正比于正、负电极有效面积的-0.27及-0.18次幂。随着重复频率增加,蓖麻油的击穿电压呈下降趋势,击穿场强正比于重复频率的-0.12次幂。在液体加压情况下,击穿场强正比于所受静压强的1/4次幂关系,表明压强对蓖麻油的影响比对去离子水的影响更加显著。3、蓖麻油在Telsa型脉冲发生器的应用传统Tesla型发生器采用变压器油绝缘,根据蓖麻油的特性分析了系统参量的优化,并开展了实验研究。实验测得单次脉冲条件下负载输出电压为332.6 kV,输出脉宽10 ns,PFL最大充电电压为397.8 kV,负载输出功率为1.08 GW。重频条件下输出电压稳定,负载平均输出电压为250.4 kV,输出脉宽10 ns,重频电压离散程度为11%,负载输出功率为0.55 GW。与变压器油PFL相比,在尺寸保持不变的情况下蓖麻油PFL输出功率基本相同,脉宽提高40%,实现了装置的小型化。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-24
  1.1 液体介质击穿的研究  13-20
    1.1.1 液体介质击穿理论  13-15
    1.1.2 液体介质击穿的研究现状  15-18
    1.1.3 蓖麻油介质性质研究现状  18-20
  1.2 脉冲形成线绝缘介质的选取  20-22
    1.2.1 脉冲形成线中的绝缘储能介质  20
    1.2.2 绝缘介质的电气性质  20-22
  1.3 课题研究的主要内容  22-24
第二章蓖麻油击穿系统的设计与仿真  24-41
  2.1 击穿试件及测量结构的设计  24-30
    2.1.1 标准油杯简介  24
    2.1.2 击穿试件主体的研制  24-26
    2.1.3 电极间距精细调节结构的设计  26-28
    2.1.4 内嵌于试件主体的测量结构  28-30
  2.2 蓖麻油击穿实验  30-33
    2.2.1 击穿实验装置  30-31
    2.2.2 实验中常见的问题及解决  31-33
  2.3 蓖麻油击穿实验系统电路模拟  33-37
    2.3.1 击穿系统模拟电路  33-34
    2.3.2 PFL 充电波形模拟  34-35
    2.3.3 蓖麻油击穿电压波形模拟  35
    2.3.4 蓖麻油击穿电流波形模拟  35-37
  2.4 击穿试件静电场模拟  37-39
    2.4.1 试件应用球形电极静电场模拟  37-38
    2.4.2 试件应用针—板电极静电场模拟  38-39
  2.5 本章小结  39-41
第三章蓖麻油击穿影响因素统计分析  41-58
  3.1 基于统计的实验方法及结果分析  41-46
    3.1.1 击穿场强的统计学原理  41-43
    3.1.2 击穿实验方法  43-46
  3.2 直流条件下蓖麻油击穿实验  46-47
  3.3 电极对蓖麻油击穿的影响  47-53
    3.3.1 电极间距对蓖麻油击穿的影响  47-48
    3.3.2 电极极性对蓖麻油击穿的影响  48-50
    3.3.3 电极形状对蓖麻油击穿的影响  50-53
  3.4 脉冲重复频率对蓖麻油击穿的影响  53-55
    3.4.1 脉冲电源重频稳定性能验证  53
    3.4.2 蓖麻油单脉冲绝缘性能  53
    3.4.3 蓖麻油重频脉冲绝缘性能  53-55
  3.5 液体压强对蓖麻油击穿的影响  55-57
    3.5.1 加压条件下试件电极间距的保持  55-56
    3.5.2 液体压强对蓖麻油耐压性能的影响  56-57
  3.6 本章小结  57-58
第四章蓖麻油在Tesla 型脉冲发生器中的应用  58-71
  4.1 Tesla 型脉冲发生器简介  58-61
    4.1.1 Tesla 变压器  58-59
    4.1.2 SINUS 系列加速器  59-60
    4.1.3 紧凑Tesla 变压器理论简介  60-61
  4.2 基于蓖麻油特性的Tesla 发生器参数优化  61-67
    4.2.1 蓖麻油PFL 参数优化理论计算  61-64
    4.2.2 蓖麻油PFL 系统参数模拟  64-67
  4.3 蓖麻油PFL 初步实验研究  67-69
    4.3.1 蓖麻油PFL 注油的实际操作  67
    4.3.2 蓖麻油PFL 实验测试  67-69
  4.4 本章小结  69-71
第五章总结与展望  71-74
  5.1 主要工作成果和结论  71-73
    5.1.1 蓖麻油击穿系统的设计与仿真  71
    5.1.2 蓖麻油击穿影响因素统计分析  71-72
    5.1.3 蓖麻油在Telsa 型脉冲发生器的应用  72-73
  5.2 今后工作及应用  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-79
攻读硕士学位期间发表的学术论文  79

蓖麻油脉冲绝缘性能及其在Tesla型脉冲发生器中的应用研究

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