（光學(xué)工程專業(yè)論文）去離子水與乙二醇混合液電性能的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

園防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 摘要 水介質(zhì)具有高的相對介電常數(shù)( 約8 0 ) ，而且具有自我恢復(fù)的能力，在脈沖 功率系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。然而，由于水介質(zhì)在零度以下工作時(shí)會結(jié)冰而影響了 其應(yīng)用，為了擴(kuò)展水介質(zhì)的應(yīng)用范圍，迫切需要解決這個(gè)問題。有研究表明： 乙二醇與水混合后可使冰點(diǎn)降低。本文就水介質(zhì)中加入乙二醇后冰點(diǎn)的變化進(jìn) 行了探討；并以水介質(zhì)同軸傳輸線為實(shí)驗(yàn)裝置，研究了去離子水乙二醇混合液 的電性能。主要進(jìn)行了以下三方面的工作： 首先研究了常溫下去離子水的電性能。研究表明：常溫下去離子水的相對 介電常數(shù)約為8 0 ，經(jīng)過去離子處理后電阻率可達(dá)1 2 5 8 mq c m ；當(dāng)平均擊穿時(shí) 間為5 7 7 m s 時(shí)，去離子水的平均擊穿場強(qiáng)為1 1 2 1 8 k v c m 。證明了水介質(zhì)具有較 強(qiáng)的耐高電壓性能；隨著充電速度的加快，平均擊穿場強(qiáng)提高而平均擊穿時(shí)間 則略有縮短。 其次，研究了常溫下去離子水乙二醇混合液的電性能，并與去離子水的電 性能進(jìn)行了比較。研究表明：去離子水中加入乙二醇后相對介電常數(shù)稍有下降， 平均擊穿場強(qiáng)及電阻率明顯提高，平均擊穿時(shí)問延長。如濃度為5 9 o 的混合液 的相對介電常數(shù)為7 1 2 6 ，電阻率為3 5 7 1m q c m ，當(dāng)平均擊穿時(shí)間為7 3 1 “s 時(shí)平均擊穿場強(qiáng)為1 4 2 ，8 1 k v c m ，比去離子水的平均擊穿場強(qiáng)提高3 5 2 0 ，平均 擊穿時(shí)間延長1 3 5 1 ，電阻率提高了近2 倍，而相對介電常數(shù)僅減小了1 0 9 3 。 隨著混合液濃度的升高，平均擊穿場強(qiáng)提高，平均擊穿時(shí)間延長，電阻率升高， 相對介電常有所降低。 最后，研究了去離子水乙二醇混合液的冰點(diǎn)及低溫下的電性能。研究表明： 隨著溫度的降低，混合液的相對介電常數(shù)及電阻率均增大：隨著混合液濃度的 增大，混合液的冰點(diǎn)持續(xù)降低。如濃度為5 0 的混合液的冰點(diǎn)已達(dá)3 9 。 關(guān)鍵詞：去離子水乙二醇混合液，相對介電常數(shù)，水介質(zhì)傳輸線，擊穿電壓， 擊穿時(shí)間 第1v i頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 a b s t r a c t a sb o t hi n s u l a t o ra n de n e r g ys t o r a g em e d i a ，d e - i o n i z e dw a t e rc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fh i g hr e l a t i v ep e r m i t t i v i t y ( i sa b o u t8 0 ) ，s e l fr e p a i r a b i l i t y ，l o wc o s t a n de a s e to fh a n d l i n g h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o no fi ti sr e s t r i c t e db e c a u s ei tw i l l f r e e z ei nl o wt e m p e r a t u r e t oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fi t ，i t sv e r ye x i g e n tt o s o l v et h i sp r o b l e m i t sf o r t u n a t et h a tt h ef r e e z i n gp o i n to fw a t e rc a nb ed e c r e a s e d w h e nt h ee t h y l e n eg l y c o li sa d d e d t h ec h a n g i n go ft h ef r e e z i n gp o i n tw a ss t u d i e d w h e nt h e e t h y l e n eg l y c o l w a sa d d e d ，a n dt h e e l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c e o f w a t e r e t h y l e n eg l y c o lm i x t u r e sw a sa l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c eo fd e i o n i z e dw a t e rw a ss t u d i e db yu s i n g c o x i a lt r a n s m i s s i o nl i n ea se x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v e p e r m i t t i v i t y i sa b o u t8 0 ，t h er e s i s t a n c er a t i oi s1 2 5 8 mq e m ，t h ea v e r a g e b r e a k d o w ns t r e n g t hi s1 1 2 1 8 k v c mw h e nt h ea v e r a g eb r e a k d o w nt i m ei s5 7 7 u si n n o r m a lt e m p e r a t u r e i tp r o v e st h a tw a t e ri sg o o da te l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c eo fd e - i o n i z e dw a t e r e t h y l e n eg l y c o l m i x t u r e sw a ss t u d i e d i t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g eb r e a k d o w ns t r e n g t ha n dt h e r e s i s t a n c er a t i oa r ei m p r o v e do b v i o u s l yw h i l et h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t yo ft h e m i x t u r e s i sd e c r e a s e dal i t t l ei nn o r m a lt e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，t h ea v e r a g e b r e a k d o w nt i m ei sp r o l o n g e d f o re x a m p l e ，t h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t yo ft h em i x t u r e o f5 9 o i s7 1 2 6 ，w h i c hi sd e c r e a s e d1 0 9 3 w h e nc o m p a r e dt ot h ew a t e r s ；t h e r e s i s t a n c er a t i oi s3 5 7 1 mq c m w h i c hi si m p r o v e d2t i m e s t h ea v e r a g e b r e a k d o w ns t r e n g t hi s1 4 2 8 1 k v c mw h e nt h ea v e r a g eb r e a k d o w nt i m ei s 7 3 1 m s ， w h i c hi s i m p r o v e d 3 5 2 0 w h e n c o m p a r e d t ot h ew a t e r s s e e nf r o mt h e e x p e r i m e n t s ，t h ea v e r a g eb r e a k d o w ns t r e n g t ha n dt h er e s i s t a n c er a t i oa r ei n c r e a s e d w h i l et h er a l a t i v ep e r m i t t i v i t yi sd e c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni si m p r o v e d f i n a l l y ，t h ef r e e z i n gp o i n to fd e i o n i z e dw a t e r e t h y l e n eg l y c o lm i x t u r e sa n d t h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c eo ft h e mw e r es t u d i e di nl o wt e m p e r a t u r e i t ss h o w e d t h a tt h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t ya n dt h er e s i s t a n c er a t i oa r ei n c r e a s e dw h e nt h e t e m p e r a t u r e i sd e c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，t h ef r e e z i n gp o i n to ft h em i x t u r ei s d e c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni si m p r o v e d f o re x a m p l e ，t h ef r e e z i n gp o i n to f t h em i x t u r eo f5 9 0 i s 3 9 k e yw o r d s ：d e i o n i z e dw a t c r e t h y l e n eg l y c o lm i x t u r e ；r e l a t i v ep e r m i t t i v i t y ；w a t e r t r a n s m i s s i o nl i n e ；b r e a k d o w ns t r e n g t h ；b r e a k d o w nt i m e 第v i i頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 圖表目錄 圖1 1 典型高斯曲線2 圖1 2 擊穿場強(qiáng)與壓強(qiáng)關(guān)系圖2 圖1 3 加入s f 6 后的擊穿電壓4 圖1 4 加入s f 6 后的有效時(shí)間4 圖1 5 等間隙不同電極的j v 關(guān)系曲線6 圖1 6 等間隙a u 及n i 電極的j v 關(guān)系曲線6 圖1 7 2 0 與擊穿次數(shù)的關(guān)系曲線6 圖1 8 不同電極材料作用密度對電壓的關(guān)系曲線7 圖1 9 # 3 0 4 不銹鋼作用密度對電壓的關(guān)系曲線7 圖1 1 0 涂有黑臘的電極結(jié)構(gòu)圖( 左) 及電路圖( 右) 8 圖1 1 1p t 電極j - v 關(guān)系曲線 ( a ) 涂有o 1m i l l 黑臘( b ) 涂有o 5m m 黑臘8 圖1 1 2e 。對溫度的關(guān)系曲線9 圖1 1 3 磁塊在陽極時(shí)的最大電壓值1 0 圖1 1 4 磁塊在陰極時(shí)的最大電壓值1 0 圖1 1 5 不同傳輸時(shí)間下?lián)舸﹫鰪?qiáng)與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線1 1 圖1 1 6 水中質(zhì)子運(yùn)動(dòng)機(jī)制 1 6 圖1 1 7g r o t t h u s s 機(jī)制1 7 圖2 1 實(shí)驗(yàn)裝置圖 1 9 圖2 2 裝置示意圖1 9 圖2 3 水介質(zhì)傳輸線裝配圖1 9 圖2 4 介質(zhì)擊穿后在內(nèi)筒外表面留下的毛刺2 1 圖2 5 用于打磨內(nèi)外筒的一些器件2 1 圖2 6 打磨拋光后內(nèi)筒的效果圖2 1 圖2 7 打磨拋光后外筒的效果圖2 1 圖2 8 分壓器和衰減器的定標(biāo)示意圖2 2 第 l i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 圖2 9 分壓器和衰減器的定標(biāo)波形 圖3 1 實(shí)驗(yàn)裝置等效電路圖 圖3 2 內(nèi)外筒間電場強(qiáng)度隨半徑的變化示意圖 圖3 3 a n s y s 模擬水介質(zhì)傳輸線內(nèi)外筒間的電場分布圖 圖3 4 當(dāng)外筒內(nèi)表面附近存在5 個(gè)微氣泡時(shí)a n s y s 模擬的水介質(zhì)傳輸線內(nèi)外筒間的電場分布圖2 7 圖3 5a n s y s 模擬的微氣泡附近的電場分布圖2 7 圖4 1 實(shí)驗(yàn)的等效電路圖2 9 圖4 2p s p i c e 模擬的傳輸線上的電壓波形。2 9 圖4 3 實(shí)驗(yàn)得到的傳輸線上的電壓波形2 9 圖4 4 去離子水的擊穿電壓波形圖一3 0 圖4 5 平均擊穿電壓隨充電電壓的變化3 0 圖4 6 平均擊穿時(shí)間隨充電電壓的變化3 0 圖4 7 平均有效時(shí)間隨充電電壓的變化3 1 圖4 8 實(shí)驗(yàn)等效電路圖3 1 圖4 9p s p i c e 模擬的傳輸線上的電壓波形3 2 圖4 1 0 實(shí)驗(yàn)得到的傳輸線上的電壓波形3 2 圖4 1 1 濃度為3 6 5 的混合液的擊穿波形圖3 3 圖4 1 2 濃度為4 8 7 的混合液的擊穿波形圖3 3 圖4 1 3 濃度為5 9 o 的混合液的擊穿波形圖3 3 圖4 1 4 濃度為7 1 2 的混合液的擊穿波形圖 3 3 圖4 1 5 充電電壓為2 0 k v 時(shí)擊穿電壓隨濃度的變化一3 4 圖4 1 6 充電電壓為2 5 k v 時(shí)擊穿電壓隨濃度的變化3 4 圖4 1 7 充電電壓為2 0 k v 時(shí)擊穿時(shí)間隨濃度的變化3 5 圖4 1 8 充電電壓為2 5 k v 時(shí)擊穿時(shí)間隨濃度的變化一3 5 圖4 1 9 濃度為4 8 7 對擊穿電壓隨充電電壓的變化3 6 圖4 2 0 濃度為7 1 2 時(shí)擊穿電壓隨充電電壓的變化3 6 圖4 2 l 濃度為4 8 7 時(shí)擊穿時(shí)間隨充電電壓的變化3 6 第l i i頁 挖 縐 巧 拍 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 圖4 2 2 濃度為7 1 2 時(shí)擊穿時(shí)間隨充電電壓的變化3 6 圖4 2 3 濃度為4 8 7 時(shí)有效時(shí)間隨充電電壓的變化t 3 7 圖4 2 4 濃度為7 1 2 時(shí)有效時(shí)間隨充電電壓的變化3 7 圖4 2 5 充電電壓為2 0 k v 時(shí)有效時(shí)間隨濃度的變化3 7 圖4 2 6 充電電壓為2 5 k v 時(shí)有效時(shí)間隨濃度的變化 3 7 圖4 2 7 相對介電常數(shù)隨濃度的變化3 8 圖4 2 8 電阻率隨濃度的變化3 8 圖4 2 9 充電電壓為1 5 k v 時(shí)去離子水與混合液擊穿電壓波形比較4 0 圖4 3 0 充電電壓為2 0 k v 時(shí)去離子水與混合液擊穿電壓波形比較4 0 圖4 3 1 充電電壓為1 5 k v 時(shí)去離子水與混合液平均擊穿電壓的比較4 2 圖4 3 2 充電電壓為2 0 k v 時(shí)去離子水與混合液平均擊穿電壓的比較4 2 圖4 3 3 充電電壓為2 5 k v 時(shí)去離子水與混合液平均擊穿電壓的比較4 2 圖4 3 4 充電電壓為1 5 k v 時(shí)去離子水與混合液平均擊穿時(shí)間的比較4 3 圖4 3 5 充電電壓為2 0 k v 時(shí)去離子水與混合液平均擊穿時(shí)間的比較4 3 圖4 3 6 充電電壓為2 5 k v 時(shí)去離子水與混合液平均擊穿時(shí)間的比較4 3 圖4 3 7 充電電壓為2 0 k v 時(shí)去離子水與混合液平均有效時(shí)間的比較4 4 圖4 3 8 充電電壓為2 5 k v 時(shí)去離子水與混合液平均有效時(shí)間的比較4 4 圖4 3 9 去離子水與混合液相對介電常數(shù)的比較4 4 圖4 4 0 去離子水與混合液電阻率的比較4 4 圖4 4 1 去離子水和各種濃度混合液m 值的比較圖4 5 圖4 4 2 濃度為7 0 的混合液的相對介電常數(shù)隨溫度變化示意圖4 7 圖4 4 3 濃度為7 0 的混合液的電阻率隨溫度變化示意圖4 8 表1 1 去離子水與乙二醇混合液電性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 表1 2 不同電極材料擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5 表4 1 去離子水擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 0 表4 2 濃度為3 6 5 的混合液擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 3 表4 3 濃度為4 8 7 的混合液擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 3 表4 4 濃度為5 9 0 的混合液擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 4 第 l v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 表4 5 濃度為7 1 2 的混合液擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 4 表4 6 停止循環(huán)后混合液的電性能隨時(shí)間的變化3 9 表4 7 充電電壓為1 5 k v 時(shí)去離子水與混合液的擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，4 1 表4 8 充電電壓為2 0 k v 時(shí)去離子水與混合液的擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4 l 表4 9 充電電壓為2 5 k v 時(shí)去離子水與混合液的擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4 l 表4 10 去離子水與混合液相對介電常數(shù)和電阻率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一4j 表4 “去離子水和各種濃度混合液的m 值4 5 表4 12 不同濃度混合液的冰點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4 7 表4 13 濃度為7 0 的混合液相對介電常數(shù)隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4 7 表4 1 4 濃度為7 0 的混合液電阻率隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4 8 第 v 頁 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人己經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文題目：去矗i 盔復(fù)乙三醛顯僉遺塾性鰉數(shù)塞墜盈窒 學(xué)位論文作者簽名：一i ； j 王l e ta ：西萬援燁 矗月2 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定本人授權(quán) 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。) 學(xué)位論文題目： 去盔i 盛生己三美遣企盎整蛙能鮑塞墜玨盎 學(xué)位論文作者簽名： 蹣! ：壘墜 日期：。b 雌年o 月上日 作者指導(dǎo)教師簽名：童q 金瓤一 日期：槲年a 月2 日 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 第一章緒論 水具有高的相對介電常數(shù)( 約8 0 ) ，在相同的儲能條件下，水介質(zhì)電容器在體積上可 比其他介質(zhì)電容器小3 0 4 0 倍。同時(shí)水介質(zhì)具有自我恢復(fù)的能力，水旦發(fā)生擊穿，它可 以迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，但油等其他液體介質(zhì)由于擊穿導(dǎo)致炭化從而使性能降低。因此， 在脈沖功率系統(tǒng)中常以水介質(zhì)電容器作為中間儲能電容器。 乙二醇又名甘醇，俗稱防凍液，為無色透明粘稠液體，具有吸濕性，易燃，其凝固點(diǎn) 為一1 1 5 ，它能與水以任意比例混溶。研究表明，乙二醇與水混合后可以降低水介質(zhì)的 冰點(diǎn)，隨著乙二醇濃度的增加，其冰點(diǎn)持續(xù)下降。當(dāng)乙二醇濃度達(dá)到5 8 時(shí)，其冰點(diǎn)可達(dá) 到6 8 。因此去離子水中加入乙二醇可以解決水介質(zhì)在低溫下結(jié)冰的問題。 1 1 水介質(zhì)擊穿的研究現(xiàn)狀 在脈沖功率器件中我們以水作為絕緣介質(zhì)，是因?yàn)樗哂泻芨叩南鄬殡姵?shù)。脈沖 功率器件尺寸的大小取決于絕緣介質(zhì)的儲能密度。以平板電容器為例，其電容為： c = 8oe 。a d ( 1 ) 其中，o 為真空的介電常數(shù)( 8o = 8 8 5 1 0 1 2 f m ) ，e ，為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)， a 為平板電極的表面積。儲存在電容器中的能量為： w = o 2 ) c u 2 ( 2 ) 其中，u 為外加電壓。電場強(qiáng)度e 等于電壓u 除以問距d ，代入能量方程得到： w = ( t 2 ) o 。a e 2 d( 3 ) 由能量方程我們得到平板電容器中絕緣介質(zhì)的儲能密度為： v = ( 1 2 ) 。o f ( 4 可見，電容器中絕緣介質(zhì)的儲能密度與絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)成正比，同時(shí)與絕緣 介質(zhì)中電場強(qiáng)度的二次方成正比( 該結(jié)論同樣也適用于其它類型的電容器) 。通過采用具 有高相對介電常數(shù)的絕緣介質(zhì)，同時(shí)提高它的擊穿場強(qiáng)，可以增大絕緣介質(zhì)的儲能密度， 從而減小脈沖功率器件的尺寸。因此，我們要求高儲能電容器的絕緣介質(zhì)不僅相對介電常 數(shù)比較高，而且其耐高電壓性能要好。水具有高的相對介電常數(shù)( 約8 0 ) ，比其它的絕緣 第1頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 介質(zhì)高3 0 4 0 倍，要將其用作電容器的絕緣介質(zhì)還要求它具有較高的擊穿場強(qiáng)。因此國內(nèi) 外科研人員對水介質(zhì)的電性能及外界因索對其電性能的影響進(jìn)行了廣泛而深入的研究，具 體總結(jié)為以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 經(jīng)典j c m a r t i n 公式 1 9 世紀(jì)6 0 年代早期，j c m a r t i n 在室溫及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下對水的擊穿特性進(jìn)行了初步的 實(shí)驗(yàn)研究。并給出了描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的幾個(gè)公式。其中最重要的兩個(gè)為： j e 電極：f = 0 3 t0 屆a 1 1 0( 5 ) 負(fù)電極：f = o 6 1 。一廳a u l 0( 5 ) 其中f 為擊穿電場強(qiáng)度( m 、恤) ，a 為有效面積( a i l2 ) ，t 咀為有效時(shí)間( ) 。該公式給 出在給定有效時(shí)間內(nèi)要使水介質(zhì)擊穿所需要的電場強(qiáng)度，如取r 孵= 1 ，a = i 啪2 ，對于正 電極則由第一個(gè)方程得出f = o 3m v e m ，即當(dāng)電場強(qiáng)度大于o 3m v c m 時(shí)正電極將發(fā)生擊 穿。由m a r t i n 公式可知負(fù)電極擊穿電場強(qiáng)度為正電極擊穿電場強(qiáng)度的兩倍。同時(shí)m a r t i n 在實(shí)驗(yàn)中測得的擊穿場強(qiáng)具有高斯分布特性，如圖 1 1 所示。m a r t i n 公式中的f 值為高斯曲線的最大 值，根據(jù)m a r t i n 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的擊穿場強(qiáng)值 通常稱為j c m 量值。由曲線看到，擊穿場強(qiáng)為 6 0 j c m 時(shí)，水擊穿的概率很小。m a r t i n 公式基于 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而非理論，它僅適用于面積較小的電極。 ( 2 ) 加壓對水介質(zhì)擊穿特性的影響 a b r a m y a n 及k o m i l o v 1j 為研究氣壓對擊穿場 強(qiáng)和擊穿時(shí)間的影響進(jìn)行了大量的工作他們指 出：當(dāng)氣壓由1 7 m p a 上升至1 3 4 m p a 時(shí)，擊穿場 強(qiáng)由3 6 0 k v c m 上升到6 4 0 k v c m ，提高了近兩倍。 研究結(jié)果表明擊穿場強(qiáng)與氣壓近似呈線性關(guān)系， 圖1 1 典型高斯曲線 且擊穿場強(qiáng)與氣壓的關(guān)系近似為2 4 k v ( c m m p a ) ，圖1 2 擊穿場強(qiáng)與壓強(qiáng)關(guān)系圖 如圖1 2 所示。他們還指出：當(dāng)氣壓從0 3 m p a 上升到1 0 1 l p a 時(shí)，有效時(shí)間t 。從5 0 n s 上升至1 0 。 s i n c e r y 2 1 研究了氣壓對擊穿場強(qiáng)和擊穿時(shí)間的影響。當(dāng)氣壓從1 0 1 k p a 上巷到3 0 8 k p a 時(shí)，擊穿場強(qiáng)從2 1 8 k v c m 上升到2 3 6 k v c m ，有效時(shí)間從2 9 上升到3 5 p s 。另外，j s 第 2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 m i r z a 等人【3 i 從量子理論出發(fā)，得出液體的擊穿場強(qiáng)與p l ”近似成線性關(guān)系。 m i l l e r 4 也進(jìn)行了加壓條件下的水擊穿實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)兩電極間距為1c m ，氣 壓為6 7 個(gè)大氣壓時(shí)，得到擊穿場強(qiáng)為6 0 8 k v c m 。同時(shí)m i l l e t 的研究也證明j s m i r z a 等人的結(jié)論是成立的。 ( 3 ) 除氣程度對水介質(zhì)擊穿特性的影響 s i n c e r y l 2 l 研究了除氣程度對擊穿場強(qiáng)和有效時(shí)間的影響。他指出，當(dāng)除氣程度由0 上 升至9 0 時(shí)對擊穿場強(qiáng)沒有明顯影響，但可以影響水介質(zhì)擊穿后的恢復(fù)時(shí)間。除氣程度越 高，因擊穿產(chǎn)生的氣泡消散的越快，從而加快水介質(zhì)的恢復(fù)。若不進(jìn)行除氣處理，水介質(zhì) 的恢復(fù)時(shí)間通常需要一個(gè)小時(shí)。 ( 4 ) 水介質(zhì)流速對水介質(zhì)擊穿特性的影響 s i n 。e 2 l 還研究了水介質(zhì)流速對擊穿場強(qiáng)及有效時(shí)間的影響。其研究表明：當(dāng)流速由 1 2 6 m f s 上升到6 3 0 m i l s 對水介質(zhì)的擊穿特性無明顯影響。他同時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)流速不同時(shí)，電 極上的擊穿點(diǎn)是不同的，當(dāng)流速較低時(shí)擊穿區(qū)域較小，而當(dāng)流速較高時(shí)，擊穿區(qū)域則較大。 s i n c e r y 經(jīng)過研究還發(fā)現(xiàn)水阻的變化對水介質(zhì)盼擊穿場強(qiáng)沒有明顯影響。 ( 5 ) 添加劑對水介質(zhì)擊穿特性的影響 f e r m e m a n s l 研究了球板電極下乙二醇對水介質(zhì)擊穿場強(qiáng)、相對介電常數(shù)及有效時(shí)間的 影響。他在室溫下測得純水的擊穿場強(qiáng)為1 3 0 k v e m ，當(dāng)加入9 5 的乙二醇，溫度為2 8 。c 時(shí)， 擊穿場強(qiáng)上升至2 7 0 k v ，c m ，擊穿場強(qiáng)提高了一倍多。他得出：通過改變濃度及溫度，可以 改變擊穿場強(qiáng)、相對介電常數(shù)及有效時(shí)間。如當(dāng)濃度為6 0 的去離子水與乙二醇的混合液 在一3 0 c 時(shí)，相對介電常數(shù)為8 0 當(dāng)濃度為8 0 的去離子水與乙二醇的混合液在一1 0 時(shí)， 有效時(shí)間升至i m s 。表1 1 給出了f e n n e m a n 的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 表1 1 去離子水與乙二酵混合液電性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 第3頁 國舫科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 中國科學(xué)院電工研究所張適昌等人【6 1 對乙二醇水混合物作脈沖形成線的絕緣介質(zhì)進(jìn) 行了研究，描述了用乙二醇去離子水混合物作脈沖形成線的絕緣介質(zhì)時(shí)固有時(shí)間常數(shù)與溫 度、濃度的關(guān)系。當(dāng)乙二醇去離子水混合物在t - 3 0 。c ，乙二醇的體積百分比為5 0 ，去離 子水電阻率p ) 0 1 8 m q m 時(shí)，混合物的固有時(shí)間常數(shù)大于1 0 m s o v c h i m a i k o v 及y a n s h i np l 在預(yù)擊穿研究中利用h c i 來降低水介質(zhì)的電導(dǎo)率，他們研究 了水介質(zhì)中加入h c i 后最大擊穿場強(qiáng)及有效時(shí)間是否有變化。m a g n ek r i s t i a i l s e n 【8 1 通過實(shí) 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)h c i 等化學(xué)物質(zhì)的加入，可以降低水的電導(dǎo)率，且隨著h c i 濃度的增加，擊穿場強(qiáng) 降低，而擊穿時(shí)間延長。h c i 加入后，一方面，h + 數(shù)目的增加，影響了通過產(chǎn)生一個(gè)過剩 的水合氫分子而導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移過程；另一方面，質(zhì)子離開電極表面時(shí)被c l - 離子捕獲，從 而減少了可能觸發(fā)放電的質(zhì)子。 s f 6 因?yàn)榫哂须娯?fù)性而廣泛應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域。當(dāng)電子穿越間隙時(shí)它能夠俘獲能量 較低的電子，在火花間隙開關(guān)中，常使用s f 6 來增加開關(guān)的電壓閾值。因此研究人員研究 了水介質(zhì)中加入s f 6 后是否能夠提高水介質(zhì)的擊穿電壓及有效時(shí)間，他們發(fā)現(xiàn)水介質(zhì)中加 入s f 6 后有效時(shí)間有較大幅度的延長。圖1 3 及圖1 4 給出了他們的研究結(jié)果。 翻幣- 由_ 啊刪球， i p 曲哪_ d 刪t 1 曲i i p 圖1 3 加入s f 6 后的擊穿電壓雷1 ，4 加入s f 6 后的有效時(shí)間 n o y e l 、j o r a t 、d e r r i c h e 及h u c k 9 】研究了在低溫下去離子水酒精混合液的相對介電 常數(shù)的變化，他們給出溫度( t ) 、酒精摩爾百分比( x ) 及靜介電常數(shù)( e5 ) 之間的關(guān)系式為： “t = 以寺睪 其中，a 、b 和c 是由實(shí)驗(yàn)條件決定的常數(shù)。他們同時(shí)指出，。髓著酒精的摩爾百分 比的增加而減小，而隨著溫度的降低e 。將變大。當(dāng)酒精的摩爾百分比為4 0 9 6 ，溫度為一1 0 0 第 4 頁 轄 8 o )a，jio， 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 時(shí)，。達(dá)最大值1 2 0 。 ( 6 ) 電極材料對水介質(zhì)擊穿特性的影響 z a h n 、o h k i 、r h o a d s 、l a g a s s e 及m a t s u z a w a l l o i 等人研究了不同電極材料對擊穿場強(qiáng) 的影響。他們研究發(fā)現(xiàn)；不銹鋼電極優(yōu)于鋁電極，它可使擊穿場強(qiáng)由1 l o k v c m 提高至 1 2 5 k y c m ，黃銅電極的擊穿場強(qiáng)最高，可達(dá)到1 4 5 k v c m ，而銅電極最穩(wěn)定，其平均擊穿場 強(qiáng)為1 3 5 k v c m 。他們還研究了正負(fù)電極分別采用不同電極材料時(shí)對擊穿場強(qiáng)的影響，其中 最重要的發(fā)現(xiàn)是當(dāng)以黃銅為負(fù)電極而以鋁為正電極時(shí)擊穿場強(qiáng)達(dá)最小值9 0 k v c m 。他們采 用間距為l c m ，面積為i m x 3 2 c m 的平板電極進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)后得到的數(shù)據(jù)如襲1 2 所示。 表1 2 不同電極材料擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) s t a i n l e s ss t e e l + s t a i n l e s ss t e e l 一a 1 u m i n u m + a l u m i n u m - 11 0 k v c m ( 1 2 t i m e s )1 t 0k v c m ( 2 9 t i m e s ) 1 1 5 k v e m ( 1 2 t i m e s )1 1 5k v c m ( 9 t i m e s ) 1 2 0 k v c m ( 4 t i m e s ) 1 2 0 k v c m ( 2 t l m e s ) 1 2 5k v e m ( 6 t i m e s ) b r 8 s s + b r 8 s s 一 c o p p e r + b r a s s 一 1 1 5 k v c m ( g r i m e s ) 11 0 k v c m ( 1 0 t i m e s ) 1 2 5k v c m ( 1 0 t i m e s )1 1 5k v c m ( 8 t i m e s ) 1 3 0 k v c m ( i t i m e ) 1 2 0 k v c m ( 1 t i m e ) 1 4 5 k v u m ( 2 t i m e s ) s t a i n l e s ss t e e l + a l u m i n u m -b r a s s + a l u m i n u m - 1 2 5k v c m ( 4 t i m e s )1 2 5k v c m ( 2 2 t i m e s ) 1 3 0 k v c m ( 1 4 t i m e s ) 1 3 0k v c m ( 1 3 t i m e s ) 1 4 0k v c m ( 2 t i m e s )1 3 5 k v c m ( 2 t i m e s ) b r a s s + c o p p e r c o p p e r + c o p p e r 一 1 1 0 k v i c m ( 1 9 t i m e s ) 1 3 5 k v c m ( 2 4 t i m e s ) s t a i n l e s ss t e e l + b r a s s 一 c o p p e r + s t a i n l e s ss t e e l 一 11 5 k v c m ( 2 0 t i m e s )1 1 0k v c m ( 1 9 t i m e s ) 1 2 0k v c m ( 6 t i m e s )1 1 5k v c m ( 3 t i m e s ) s t a i n l e s ss t e e l + c o p p e r 一 c o p p e r + a l u m i n u m 一 1 1 5k v c m ( 1 9 t i m e s )1 0 0 k v c m ( 1 9 t i m e s ) 1 2 5 k v c m ( 2 t i m e s ) 1 2 5 k v c m ( 2 t i m e s ) a l u m i n u m 十 b r a s s -a l u m i n u m + s t a i n l e s ss t e e l 一 9 0 k v t c m ( 1 9 t i m e s ) 1 0 5 k v c m ( 2 0 t i m e s ) 9 5 k y c m ( 1 7 t i m e s ) 1 i 0 k y l c m ( 1 t i m e ) a l u m i n u m + c o p p e r -b r a s s + | st a i n l e s ss t e e l - 1 1 0 k v e m ( 2 0 t i m e s )1 2 5k v c m ( 1 9 t i m e 8 ) 第 5 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院。學(xué)位論文 s z k l a r c z y k 、k a i n t h l a 及b o c k r i s l l l 】通過實(shí)驗(yàn)比較了鉑、銅、鐵、鎳、金和鈷電極材 料對擊穿場強(qiáng)的影響。鉑、銅、鈷及鐵電極情況下的電流密度與電壓之間的關(guān)系示于圖1 5 。 山該圖可知：對于圖中的四種材料，銅電極具有較好的耐擊穿特性。金及鎳電極情況下的 電流密度與電壓之間的關(guān)系示于圖1 6 。比較圖1 5 及圖1 6 可知：以金作為電極材料效果 優(yōu)于銅電極，而鎳電極效果最差。 爹 薹 董 圖1 5 等箍瞬環(huán)同由極的j - v 關(guān)系曲線圖1 6 等 司隙_ u 及n i 電極的j 1 關(guān)系曲線 f e r m e m a n 1 2 j 研究了銅( c u ) 、不銹鋼( s s ) 、黃銅( b r a s s ) k 鋁( ) 電極的性能，他 利用j c m a r t i n 的關(guān)系式e 。t 。i 3 _ 一i l i ，n 1 “。測出了各種材料的m 值( 其中巳。為各次擊穿時(shí) 的最大電場強(qiáng)度) ，其表達(dá)式為： n = 百1 善瓦“一3 彳。1 兒。 ( 8 ) f e n n e m a n 通過對各種電極材料進(jìn)行2 0 0 次擊穿實(shí)驗(yàn)，并對每2 0 次擊穿的m 值取平均 后得到圖1 7 。通過圖1 7 可以發(fā)現(xiàn)鋁的重復(fù)擊穿性能較差。 圈1 7 m ，與擊穿次數(shù)的關(guān)系曲線 第6頁 薹童l 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 g c h m a n 1 3 l 研究了各種電極材料及它們的作用密度( 能量密度與有效時(shí)間的乘積) 。 圖1 8 給出了鋁、陽極氧化鋁、黃銅及銅的作用密度曲線，圖中還給出了四種材料的擊穿電 壓閾值。由圖可見陽極氧化鋁的性能優(yōu)于其他三種材料，其擊穿電壓閩值較錨提高了近 2 0 。因此，對材料作陽極化處理有助于提高材料的擊穿電壓閩值。圖1 9 給出了不銹鋼 在噴粒( b b ) 及耐氧電解拋光( e p ) 處理后的作用密度曲線。鈍化處理使不銹鋼的表面形 成一層氧化鉻保護(hù)膜，阻止金屬離子進(jìn)入水介質(zhì)，從而使擊穿性能得到改善。由圖1 9 可 見，經(jīng)過處理后的不銹鋼性能最好，同時(shí)比較圖1 8 及圖1 9 發(fā)現(xiàn)不銹鋼電極優(yōu)于其他材料 的電極。 銎 4 要：“? ：4 炒 ”v 盛c e 茹) “一”“。 圈1 8 不同電極材料作用密度對電壓的關(guān)系曲線圖1 9 # 3 0 4 不銹鋼作用密度對電壓的關(guān)系曲線 m c l o e d 及g e h m a n 4 1 研究了鈣0 4 、# 3 1 0 、# 3 1 6 、私0 3 不銹鋼及# 7 0 7 5 、# 5 0 8 3 、# 2 0 2 4 、 # 6 0 6 1 鋁的性能，比較了它們耐高電壓的能力。比較得知# 4 3 0 不銹鋼及# 6 0 6 1 鋁的性能最 好，它們的平均擊穿場強(qiáng)達(dá)到1 7 0 k v c m 。以躬0 4 不銹鋼為陽極，而以# 2 0 2 4 鋁為陰極時(shí)的 擊穿場強(qiáng)為1 4 5 k v c m ；以鶘0 4 不銹鋼為陰極，而以# 2 0 2 4 鋁為陽極時(shí)的擊穿場強(qiáng)為 1 0 0 k v c m 。但是將兩個(gè)電極均在水中浸2 3 天后，以躬0 4 不銹鋼為陽極、# 2 0 2 4 鋁為陰極 時(shí)的擊穿場強(qiáng)與以彤0 4 不銹鋼為陰極、舵0 2 4 鋁為陽極時(shí)的擊穿場強(qiáng)相同。 ( 7 ) 電極形狀及極性對水介質(zhì)擊穿特性的影響 k u z h e k i n ”l 研究了電極形狀及極性對擊穿場強(qiáng)及有效時(shí)間的影響。他采用個(gè)直徑為 0 8 e r a 的桿狀電極和一個(gè)直徑為2 5 c m 的平板電極( 兩者的材料均為不銹鋼) 。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)： 以桿狀電極為正電極、平板電極為負(fù)電極時(shí)，擊穿有效時(shí)間為0 5 a s ；而以桿狀電極為負(fù)電 極、平板電極為正電極時(shí)，有效時(shí)間增大為2 0 l j s ，比前者提高4 0 倍，且兩者的擊穿場強(qiáng) 相差9 5 k v c m 。由此說明：當(dāng)兩個(gè)電極不對稱時(shí)電極的極性是很重簧的。 第7 頁 噸 ” h o i弓：i矗羞。菩i工譬 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院學(xué)位論文 ( 8 ) 電極表面涂層對水介質(zhì)擊穿特性的影響 s z k l a r c z y k 1 6 1 研究了當(dāng)正電極表面涂上石蠟及黑土后對擊穿的影響。圖1 1 0 為擴(kuò)散電 極的幾何結(jié)構(gòu)圖和電路圖，圖1 1 1 給出了黑上層厚度對電流密度一電壓關(guān)系的影響。他采 用直徑為1 0 0 m 的平面端部鎳陽極和直徑為0 6 c m 的鎳陰極，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極表面涂上0 5 m m 的黑土層后擊穿場強(qiáng)由8 k v c m 增至6 0 k v c m 。其擊穿場強(qiáng)之所以這么低，可能是由于所采 用電極的尺寸及兩者的間距過小的緣故。 m 酉瑁a r w a xr h 幻 圖1 1 0 涂有黑臘的電極結(jié)構(gòu)圖( 左) 及電路圖( 右) 圖1 1 lp t 電極j - v 關(guān)系曲線 ( a ) 涂有o 1 m m 黑臘( b ) 余有0 5t n i n 黑臘 分析圖1 1 0 中黑土與水界面的電場，由高斯定律： j ed s = q ( 0 r ) 式中，q 為自由電荷。黑土與水層的電壓比為： 粵= 搓= 黜= 選i v , w i n , e v , w , ， c - 吒。l 。露。，?？?，( o w ) 一 由于總電壓v = u 。+ v ，蝴，得到： = ( 喪+ ，) ( 1 1 ) 第8頁 國防科學(xué)技術(shù)入學(xué)研究生院學(xué)位論文 也可通過歐姆定律來計(jì)算v 0 。的值： v w 砒。，= i r w 。t 盯= i p w 蝴1 w - i e s( 1 2 ) 式中，i 為流經(jīng)實(shí)驗(yàn)器件的電流，