真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚和消散特性的研究
真空器件中绝缘子的沿面闪络电压远低于绝缘子自身以及同等长度真空间隙的闪络电压，影响沿面闪络电压的重要因素是绝缘子表面电荷的积聚，其严重制约着真空器件的性能。为了提高真空中纳秒脉冲作用下的沿面闪络电压，绝缘子表面电荷分布的研究十分重要。本文搭建了一套真空纳秒脉冲下绝缘子表面电荷测量平台来研究绝缘子表面电荷分布。
本文采用静电容探头法得到不同类型的陶瓷试样的表面电荷分布状况，并对电荷的积聚和消散特性进行了对比分析。试验结果表明不含添加剂的试样表面电荷积聚明显，而掺有添加剂的试样测不到表面有电荷或是存在低于探头灵敏度的电荷积聚。所有试样加压3 次以后与加压1 次相比较，整体电荷积聚量均有增加。不同试样的电荷消散特性试验结果表明，静置一个小时后，不同试样的电荷消散量均小于10%。
近年来，随着大型脉冲功率设备迅速发展，以脉冲功率技术为依托的各种高精尖设备在军事工业、航空航天工业得到越来越广泛的应用，如中国的“神龙一号”直线感应加速器、美国的DARHT-1 加速器以及基于快脉冲直线型变压器驱动源(LTD) 技术的脉冲装置等等。真空作为一种具有良好介电特性的特殊电介质，被广泛的应用于这些高精尖脉冲功率装置中。然而，研究发现，与空气或者其他气体介质环境中情况不同的是，在真空环境中的间隙加入绝缘子后，由绝缘子和真空组成的绝缘体系的绝缘强度远小于相同大小的纯真空间隙或固体绝缘子本身的绝缘强度，影响了许多高精尖真空设备的运行，造成了巨大的损失。Lewis 等研究了在交流电压的作用下PMMA 绝缘子在真空中和氮气中的沿面闪络现象，发现加入绝缘子后真空绝缘系统的绝缘强度的破坏是由于真空中绝缘子表面发生的沿面闪络现象造成的。华北电力大学丁立健等通过研究发现，真空绝缘子沿面闪络特性与其表面电荷特性直接相关。在施加电压的过程中，绝缘子表面会产生电荷积聚，造成带电现象，表面电荷的出现，提供了放电进一步发展的电荷，也因电荷自身的作用改变了绝缘子表面在加压过程中的电场分布。王增彬等对陡脉冲作用下的真空中氧化铝陶瓷的沿面闪络特性做了大量的研究。国内外对真空中绝缘子沿面闪络的机理研究工作比较充分，可是对于真空条件下，纳秒脉冲电压作用时固体绝缘子表面电荷分布的研究却十分缺乏，而绝缘子表面在加压时产生的积聚电荷正是造成沿面闪络的重要因素。
为了研究纳秒脉冲下真空绝缘子表面的带电特性，本文搭建了一整套纳秒脉冲下真空绝缘子表面电荷测量系统，能在不影响真空度的情况下测量纳秒脉冲作用下真空绝缘子表面带电情况。
1、试验平台的搭建
为研究真空中纳秒脉冲电压下真空绝缘体表面场强的分布，需要研制相应的输出幅值及脉宽可灵活调节的纳秒脉冲电压发生器，参考国内外Marx 发生器的研制方法，结合本文所需的电压波形以及考虑到试验腔体的绝缘情况，设计的纳秒脉冲电压发生器的最高输出电压为60 kV，上升沿为10ns，脉宽为100 ns，陡化后的脉冲经过入线电缆进入真空试验腔体，整套结构紧凑、安全、可靠。整个试验平台示意图如图1 所示。
图1 试验平台
1.1、纳秒级脉冲电压发生器
如图1 所示，纳秒级脉冲电压发生器主要由五部分组成：
供电部分：包括工频试验变压器、整流硅堆、充电电容、点火球隙。从试验变压器输出的工频电压经过硅堆整流以后成为直流电压，对电容进行充电，达到所需要的电压的时候，触发点火球隙使得球隙击穿，产生脉冲电压。
成型线：成型线将脉冲的脉宽控制在100 ns 左右，通过计算成型线的长度为5.18 m。
气隙开关：脉冲击穿气隙开关腔体中的电极，陡化脉冲上升沿为几纳秒到十几个纳秒。气隙开关中充有氮气，负载一定时，调节气隙开关内部氮气的气压可以改变气隙开关的击穿电压从而得到不同输出电压幅值。
入线电缆：陡化后的脉冲经过入线电缆，进入真空腔体，施加在试样表面的高压电极上。
匹配电阻：为了减小输出电压波形的振荡并且考虑电阻的热效应以及耐压强度，在末端匹配了50Ω 硫酸铜电阻。
1.2、纳秒级脉冲电容分压器
纳秒脉冲的测量端采用的是纳秒级脉冲电容分压器，为同轴结构，其示意图如图2 所示，分压器的高压臂电容由电缆芯线和铜箔构成，低压臂电容由铜箔和接地铝夹构成，电缆绝缘层和聚乙烯薄膜分别构成两级电容器的介质。分压器的分压比和带宽通过方波响应计算为476.45：1 和56.69 MHz，如图3 所示。通过此分压器测得的脉冲发生器输出脉冲图如图4 所示，上升沿为15.9 ns，脉宽为92.2ns，满足试验要求。
图2 电容分压器
图3 电容分压器方波相应
图4 纳秒脉冲电压发生器输出波形
1.3、真空系统
根据实际条件，本试验系统选用2XZ-4型机械泵作为前级泵，F-100/110 型分子泵作为二级泵的真空机组。启动真空机组对试验腔体进行抽气，经过10 h，此机组基本达到极限真空度为1.33 × 10-5 Pa。在本项目的试验过程中，一般保持试验腔体的真空度为1.5 × 10-3 Pa。
2、结论
(1) 为了研究纳秒脉冲电压下真空绝缘的表面电荷特性，本文搭建了纳秒脉冲电压发生平台和一整套基于静电容探头法的绝缘子表面电荷测量系统。纳秒级脉冲发生器的输出脉冲上升沿在10 ns左右，脉宽在100 ns 左右；电荷测量系统的探头空间分辨率为1.971 mm2，电荷分辨率为0.084 μC /m2。
(2) 本文对不同类型的陶瓷试样进行表面电荷测量试验，得到了通过静电探头法测得的探头处电位，计算求得表面电荷密度的分布状况，分析对比了不同试样表面电荷的积聚和消散特性。试验结果表明不含添加剂的试样A/B/C/D表面电荷积聚明显，而掺有添加剂的试样G 测不到表面有电荷或是存在低于探头灵敏度的电荷积聚。所有的试样加压3 次以后与只加压1 次相比较，整体电荷积聚量均有增加，累积加压以会增加试样表面积聚电荷量。不同的试样由于烧结温度和保温时间的，导致不同试样表面的陷阱密度不同，积聚的电荷量也有所不同。试样D 的烧结温度较高并且保温时间最长，因此，在同等试验条件下，其表面电荷的积聚量最大。
(3) 对不同试样进行了消散特性的试验。试验结果表明，加压静置1 h，四种试样的电荷平均消散程度都小于10%。因此，可以断定，在测量过程中，电荷的消散对试验结果影响较小，保证了试验所得数据的准确性和可分析性。
