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真空中納秒脈沖下絕緣子表面電荷積聚和消散特性的研究

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)華北電力大學高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室 作者:高春嘉

  真空器件中絕緣子的沿面閃絡電壓遠低于絕緣子自身以及同等長度真空間隙的閃絡電壓,影響沿面閃絡電壓的重要因素是絕緣子表面電荷的積聚,其嚴重制約著真空器件的性能。為了提高真空中納秒脈沖作用下的沿面閃絡電壓,絕緣子表面電荷分布的研究十分重要。本文搭建了一套真空納秒脈沖下絕緣子表面電荷測量平臺來研究絕緣子表面電荷分布。

  本文采用靜電容探頭法得到不同類型的陶瓷試樣的表面電荷分布狀況,并對電荷的積聚和消散特性進行了對比分析。試驗結果表明不含添加劑的試樣表面電荷積聚明顯,而摻有添加劑的試樣測不到表面有電荷或是存在低于探頭靈敏度的電荷積聚。所有試樣加壓3 次以后與加壓1 次相比較,整體電荷積聚量均有增加。不同試樣的電荷消散特性試驗結果表明,靜置一個小時后,不同試樣的電荷消散量均小于10%。

  近年來,隨著大型脈沖功率設備迅速發展,以脈沖功率技術為依托的各種高精尖設備在軍事工業、航空航天工業得到越來越廣泛的應用,如中國的“神龍一號”直線感應加速器、美國的DARHT-1 加速器以及基于快脈沖直線型變壓器驅動源(LTD) 技術的脈沖裝置等等。真空作為一種具有良好介電特性的特殊電介質,被廣泛的應用于這些高精尖脈沖功率裝置中。然而,研究發現,與空氣或者其他氣體介質環境中情況不同的是,在真空環境中的間隙加入絕緣子后,由絕緣子和真空組成的絕緣體系的絕緣強度遠小于相同大小的純真空間隙或固體絕緣子本身的絕緣強度,影響了許多高精尖真空設備的運行,造成了巨大的損失。Lewis 等研究了在交流電壓的作用下PMMA 絕緣子在真空中和氮氣中的沿面閃絡現象,發現加入絕緣子后真空絕緣系統的絕緣強度的破壞是由于真空中絕緣子表面發生的沿面閃絡現象造成的。華北電力大學丁立健等通過研究發現,真空絕緣子沿面閃絡特性與其表面電荷特性直接相關。在施加電壓的過程中,絕緣子表面會產生電荷積聚,造成帶電現象,表面電荷的出現,提供了放電進一步發展的電荷,也因電荷自身的作用改變了絕緣子表面在加壓過程中的電場分布。王增彬等對陡脈沖作用下的真空中氧化鋁陶瓷的沿面閃絡特性做了大量的研究。國內外對真空中絕緣子沿面閃絡的機理研究工作比較充分,可是對于真空條件下,納秒脈沖電壓作用時固體絕緣子表面電荷分布的研究卻十分缺乏,而絕緣子表面在加壓時產生的積聚電荷正是造成沿面閃絡的重要因素。

  為了研究納秒脈沖下真空絕緣子表面的帶電特性,本文搭建了一整套納秒脈沖下真空絕緣子表面電荷測量系統,能在不影響真空度的情況下測量納秒脈沖作用下真空絕緣子表面帶電情況。

  1、試驗平臺的搭建

  為研究真空中納秒脈沖電壓下真空絕緣體表面場強的分布,需要研制相應的輸出幅值及脈寬可靈活調節的納秒脈沖電壓發生器,參考國內外Marx 發生器的研制方法,結合本文所需的電壓波形以及考慮到試驗腔體的絕緣情況,設計的納秒脈沖電壓發生器的最高輸出電壓為60 kV,上升沿為10ns,脈寬為100 ns,陡化后的脈沖經過入線電纜進入真空試驗腔體,整套結構緊湊、安全、可靠。整個試驗平臺示意圖如圖1 所示。

真空中納秒脈沖下絕緣子表面電荷積聚和消散特性的研究

圖1 試驗平臺

  1.1、納秒級脈沖電壓發生器

  如圖1 所示,納秒級脈沖電壓發生器主要由五部分組成:

  供電部分:包括工頻試驗變壓器、整流硅堆、充電電容、點火球隙。從試驗變壓器輸出的工頻電壓經過硅堆整流以后成為直流電壓,對電容進行充電,達到所需要的電壓的時候,觸發點火球隙使得球隙擊穿,產生脈沖電壓。

  成型線:成型線將脈沖的脈寬控制在100 ns 左右,通過計算成型線的長度為5.18 m。

  氣隙開關:脈沖擊穿氣隙開關腔體中的電極,陡化脈沖上升沿為幾納秒到十幾個納秒。氣隙開關中充有氮氣,負載一定時,調節氣隙開關內部氮氣的氣壓可以改變氣隙開關的擊穿電壓從而得到不同輸出電壓幅值。

  入線電纜:陡化后的脈沖經過入線電纜,進入真空腔體,施加在試樣表面的高壓電極上。

  匹配電阻:為了減小輸出電壓波形的振蕩并且考慮電阻的熱效應以及耐壓強度,在末端匹配了50Ω 硫酸銅電阻。

  1.2、納秒級脈沖電容分壓器

  納秒脈沖的測量端采用的是納秒級脈沖電容分壓器,為同軸結構,其示意圖如圖2 所示,分壓器的高壓臂電容由電纜芯線和銅箔構成,低壓臂電容由銅箔和接地鋁夾構成,電纜絕緣層和聚乙烯薄膜分別構成兩級電容器的介質。分壓器的分壓比和帶寬通過方波響應計算為476.45:1 和56.69 MHz,如圖3 所示。通過此分壓器測得的脈沖發生器輸出脈沖圖如圖4 所示,上升沿為15.9 ns,脈寬為92.2ns,滿足試驗要求。

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圖2 電容分壓器

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圖3 電容分壓器方波相應

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圖4 納秒脈沖電壓發生器輸出波形

  1.3、真空系統

  根據實際條件,本試驗系統選用2XZ-4型機械泵作為前級泵,F-100/110 型分子泵作為二級泵的真空機組。啟動真空機組對試驗腔體進行抽氣,經過10 h,此機組基本達到極限真空度為1.33 × 10-5 Pa。在本項目的試驗過程中,一般保持試驗腔體的真空度為1.5 × 10-3 Pa。

  2、結論

  (1) 為了研究納秒脈沖電壓下真空絕緣的表面電荷特性,本文搭建了納秒脈沖電壓發生平臺和一整套基于靜電容探頭法的絕緣子表面電荷測量系統。納秒級脈沖發生器的輸出脈沖上升沿在10 ns左右,脈寬在100 ns 左右;電荷測量系統的探頭空間分辨率為1.971 mm2,電荷分辨率為0.084 μC /m2

  (2) 本文對不同類型的陶瓷試樣進行表面電荷測量試驗,得到了通過靜電探頭法測得的探頭處電位,計算求得表面電荷密度的分布狀況,分析對比了不同試樣表面電荷的積聚和消散特性。試驗結果表明不含添加劑的試樣A/B/C/D表面電荷積聚明顯,而摻有添加劑的試樣G 測不到表面有電荷或是存在低于探頭靈敏度的電荷積聚。所有的試樣加壓3 次以后與只加壓1 次相比較,整體電荷積聚量均有增加,累積加壓以會增加試樣表面積聚電荷量。不同的試樣由于燒結溫度和保溫時間的,導致不同試樣表面的陷阱密度不同,積聚的電荷量也有所不同。試樣D 的燒結溫度較高并且保溫時間最長,因此,在同等試驗條件下,其表面電荷的積聚量最大。

  (3) 對不同試樣進行了消散特性的試驗。試驗結果表明,加壓靜置1 h,四種試樣的電荷平均消散程度都小于10%。因此,可以斷定,在測量過程中,電荷的消散對試驗結果影響較小,保證了試驗所得數據的準確性和可分析性。

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