一种绝缘子及提高绝缘子沿面耐电强度的方法

摘要

本发明公开一种绝缘子，包括两个绝缘子无刻槽区域和位于两个绝缘子无刻槽区域之间的绝缘子刻槽区域；绝缘子刻槽区域上设有若干个槽；槽中设置有嵌入电极；两个绝缘子无刻槽区域上分别设置有阴极和阳极；所述槽、阴极和阳极位于绝缘子同一侧。本发明同时利用绝缘子表面刻槽以及因嵌入金属电极而产生周期性变化的法向电场达到调整绝缘子表面的二次电子发射及倍增过程，从而实现提高绝缘子真空沿面耐电特性的目的。本发明方法易于实现加工，制造技术难度低，有利于向实际工程应用层面转化，推动脉冲功率技术的发展。

说明书

技术领域

本发明属于绝缘子技术领域，特别涉及一种绝缘子及提高绝缘子沿面耐电强度的方法。

背景技术

绝缘子在远低于自身以及相同尺寸真空间隙的击穿强度下就会发生沿面击穿，例如真空的 临界击穿约为350kV/cm，高纯度氧化铝陶瓷约为300～400kV/cm，而真空-氧化铝陶瓷系统通 常在几十kV/cm的电场下就会发生闪络，这种现象严重制约着高压真空电气系统的绝缘性能。 与常规电真空设备相比，脉冲功率装置因受体积的限制和紧凑性的要求，其绝缘问题尤为突出。 提高绝缘子的沿面耐电强度已成为大型脉冲功率装置发展中无法回避的问题，是限制脉冲功率 技术发展的瓶颈技术。因此，研究绝缘子沿面闪络现象及其形成机理，寻找提高其闪络电压的 方法意义重大。

固体绝缘的沿面闪络在本质上是一种发生在高电场下复合介质系统中的复杂的表面界面 物理现象，大量研究表明：电极材料及结构，电极-介质接触方式，绝缘子材料及几何形状、 表面状况及预放电处理，施加电压波形，真空度，温度，磁场等众多因素均可影响绝缘子沿面 闪络特性。研究认为在保证绝缘材料的力学、热学等性能的前提下，统筹考虑优先选择介电常 数小、表面电阻率适当小、二次电子发射系数小、浅能级陷阱密度低、表面释气弱的材料有助 于提高绝缘子在脉冲电压下的绝缘特性，单一参数优并不一定沿面耐电特性好。对特定的绝缘 结构，对界面附近电极与介质的形状进行优化设计，如电极嵌入绝缘材料内部或绝缘材料嵌入 电极内部、使用屏蔽环、绝缘子边缘倒角等措施可提高其沿面闪络电压。只有优异的绝缘材料 配合优化的绝缘结构设计才能表现出极佳的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘子及提高绝缘子沿面耐电强度的方法，以提高绝缘子的 沿面闪络电压。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种绝缘子，包括两个绝缘子无刻槽区域和位于两个绝缘子无刻槽区域之间的绝缘子刻 槽区域；绝缘子刻槽区域上设有若干个槽；槽中设置有嵌入电极。

进一步的，两个绝缘子无刻槽区域上分别设置有阴极和阳极；所述槽、阴极和阳极位于 绝缘子同一侧。

进一步的，绝缘子刻槽区域与阴极的距离为0mm；或者，绝缘子刻槽区域与阳极的距离 为0mm；或者，绝缘子刻槽区域与阳极之间的间距大于0mm；绝缘子刻槽区域与阴极之间的 间距大于0mm；阴极和阳极之间的中心线与绝缘子刻槽区域的中心线重合。

进一步的，该绝缘子的材料为常用有机绝缘材料，如聚四氟乙烯、有机玻璃、交联聚苯 乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、环氧树脂、聚酰亚胺等。

进一步的，绝缘子刻槽区域占绝缘子表面积的1/3～1/2；槽的延伸方向与阴极和阳极之间 的连线垂直。

进一步的，阴极和阳极之间的间距为15mm，绝缘子刻槽区域长5mm，绝缘子表面刻槽 形状为矩形，刻槽参数为：槽宽G_W0.5mm，槽深G_d2mm，槽间距G_D0.5mm，嵌入电极采用 直径0.5mm的铜丝，阴极与阳极均采用不锈钢。

进一步的，绝缘子无刻槽区域靠近绝缘子刻槽区域的边沿距离绝缘子刻槽区域最外侧的 槽的外边沿半个槽间距。

一种提高绝缘子沿面耐电强度的方法，包括以下步骤：

(1)制备绝缘子，并于其表面进行刻槽，形成绝缘子刻槽区域，绝缘子刻槽区域占绝缘 子表面积的1/3～1/2；

(2)制备嵌入槽中的嵌入电极，嵌入电极与步骤中的刻槽相匹配；嵌入表面进行抛光处 理，使其表面无能够导致电场畸变的缺陷；

(3)将上述步骤(2)中制备的嵌入电极安装于步骤(1)所制备的刻槽底部。

进一步的，槽的形状为矩形，嵌入电极的形状为圆形或矩形；所述缺陷为尖端或毛刺。

进一步的，

绝缘子刻槽区域与绝缘子上的阴极安装区域的距离为0mm；

或者，绝缘子刻槽区域与绝缘子上的阳极安装区域距离为0mm；

或者，绝缘子刻槽区域与绝缘子上的阴极安装区域的间距大于0mm；绝缘子刻槽区域与 绝缘子上的阳极安装区域之间的间距大于0mm；绝缘子上的阴极安装区域和绝缘子上的阳极 安装区域之间的中心线与绝缘子刻槽区域的中心线重合。

进一步的，绝缘子上的阴极安装区域和绝缘子上的阳极安装区域之间的间距为15mm， 绝缘子刻槽区域长5mm，绝缘子表面刻槽形状为矩形，刻槽参数为：槽宽G_W0.5mm，槽深 G_d2mm，槽间距G_D0.5mm，嵌入电极采用直径0.5mm的铜丝。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

基于二次电子发射雪崩(Secondaryelectronemissionavalanche，SEEA)理论，真空中绝 缘子的沿面闪络起始于阴极、真空以及绝缘材料的结合处的场致电子发射，初始电子在电场作 用下与绝缘材料表面发生碰撞形成二次电子发射，进而产生电子雪崩，引起表面吸附气体脱附 并电离而引发闪络。本发明提出的绝缘介质沿面耐电特性提高技术，同时利用绝缘子表面刻槽 以及因嵌入金属电极而产生周期性变化的法向电场达到调整绝缘子表面的二次电子发射及倍 增过程，从而实现提高绝缘子沿面耐电特性的目的。本发明方法易于实现加工，制造技术难度 低，有利于向实际工程应用层面转化，推动脉冲功率技术的发展。

附图说明

图1为本发明嵌入金属的表面刻槽绝缘子结构的剖视示意图。图中：1为绝缘子刻槽区 域，2为绝缘子无刻槽区域、3为嵌入金属，4为阴极，5为阳极。另外，图中各物理量定义为： G_W—槽宽，G_d—槽深，G_D—槽间距，l—刻槽区域与阴极的距离，d—电极间距。

图2为样品闪络时延特性测试所采用的冲击电压波形示意图。

图3为PTFE绝缘子刻槽靠近阴极(l＝0)时的真空沿面闪络时延特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体 实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，本发明一种绝缘子包括：绝缘子、嵌入金属3、阴极4、阳极5。绝缘 子包括两个绝缘子无刻槽区域2和位于两个绝缘子无刻槽区域2之间的绝缘子刻槽区域1，阴 极4和阳极5分别设置于两个绝缘子无刻槽区域2上。绝缘子刻槽区域1外周设有多个槽；槽 中设置有嵌入电极3。绝缘子刻槽区域1与绝缘子无刻槽区域2之间的边界为绝缘子刻槽区域 1的最两侧的槽的外边沿+1/2槽间距G_D。绝缘子可以为平板形、圆弧形或其它形状。

本发明一种提高绝缘子沿面耐电强度的方法，包括以下步骤：

(1)制备绝缘子，并于其表面的局部高场区域进行刻槽(靠近阴极、靠近阳极、以及电 极中间区域)，形成绝缘子刻槽区域(1)，绝缘子刻槽区域(1)占绝缘子表面积的1/3～1/2； 刻槽形状可选为矩形；绝缘子可以为矩形板或其它形状；

(2)制备嵌入槽中的嵌入电极(3)，嵌入电极与步骤(1)中的刻槽相匹配，嵌入电极形 状可选为圆形或矩形；嵌入表面进行抛光处理，使其表面无尖端、毛刺等能够导致电场畸变的 缺陷；

(3)将上述步骤(2)中制备的嵌入电极安装于步骤(1)所制备的刻槽底部，并确保二 者装配良好。

本发明实施例的绝缘子的材料为聚四氟乙烯(PTFE)，电极间距d固定15mm，绝缘子刻 槽区域1长5mm，绝缘子表面刻槽形状为矩形，刻槽参数设定槽宽G_W0.5mm，槽深G_d2mm， 槽间距G_D0.5mm，嵌入电极3采用直径0.5mm，长度140mm的铜丝，阴极4与阳极5均采 用不锈钢。将制备的绝缘结构进行闪络时延特性测试，所采用的正极性冲击电压波形如图2 所示，脉冲前沿30ns。

实施例一

绝缘子刻槽区域靠近阴极，即刻槽区域与阴极的距离l＝0时，嵌入金属的表面刻槽绝缘子 的沿面闪络的时延特性如图3所示。从图中可以看出相比于无刻槽时，绝缘子表面刻槽后闪络 时延大幅提高；当槽中嵌入金属后闪络时延进一步增加。表1给出了绝缘子表面无刻槽、靠近 阴极区域刻槽、以及槽中嵌入金属等三种情况下，不同闪络时延所对应的电场强度。在闪络时 延为50ns时，表面刻槽的闪络场强为43.4kV/cm，而槽中嵌入金属的闪络场强为52.2kV/cm，而 槽中嵌入金属相比于刻槽的闪络场强提高了20.3％；在闪络时延为100ns时，表面刻槽的闪络场 强为29.2kV/cm，而槽中嵌入金属的闪络场强为37.5kV/cm，而槽中嵌入金属相比于刻槽的闪络 场强提高了28.4％。

表1刻槽区域靠近阴极时(l＝0)，嵌入金属前后的闪络场强(单位：kV/cm)

实施例二

绝缘子刻槽位置位于电极中间区域，即刻槽区域与阴极的距离l＝5mm时，表2给出了绝缘 子表面无刻槽、靠近阴极区域刻槽、以及槽中嵌入金属等三种情况下，不同闪络时延所对应的 电场强度。在闪络时延为50ns时，表面刻槽的闪络场强为26.7kV/cm，而槽中嵌入金属的闪络 场强为41.0kV/cm，而槽中嵌入金属相比于刻槽的闪络场强提高了53.5％；在闪络时延为100ns 时，表面刻槽的闪络场强为22.3kV/cm，而槽中嵌入金属的闪络场强为29.8kV/cm，而槽中嵌入 金属相比于刻槽的闪络场强提高了33.6％。

表2刻槽位于电极中间区域(l＝5mm)，嵌入金属前后的闪络场强对比(单位：kV/cm)

实施例三

绝缘子刻槽位置靠近阳极，即刻槽区域与阴极的距离l＝10mm时，表3给出了绝缘子表面无 刻槽、靠近阴极区域刻槽、以及槽中嵌入金属等三种情况下，不同闪络时延所对应的电场强度。 在闪络时延为50ns时，表面刻槽的闪络场强为41.9kV/cm，而槽中嵌入金属的闪络场强为 57.4kV/cm，而槽中嵌入金属相比于刻槽的闪络场强提高了37.0％；在闪络时延为100ns时，表 面刻槽的闪络场强为30.1kV/cm，而槽中嵌入金属的闪络场强为39.0kV/cm，而槽中嵌入金属相 比于刻槽的闪络场强提高了29.6％。

表3刻槽位于电极中间区域(l＝10mm)，嵌入金属前后的闪络场强对比(单位：kV/cm)

上述实施例表明：槽中嵌入金属可有效改善绝缘子的沿面闪络特性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对在本技术领域内的普通技术人员，在 不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰(如槽宽、槽深、槽间距等槽参数的 优化，刻槽区域的面积及位置的优化，嵌入电极的参数优化等等)，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。