真空中纳秒脉冲下绝缘子表面电荷积聚对表面电场的影响
真空绝缘子表面电荷的积聚会改变电场分布，影响绝缘子的闪络电压。为了量化研究表面电荷积聚对表面电场的影响程度，本文采用静电探头法测量了真空中纳秒脉冲作用下多种陶瓷绝缘子表面电荷的二维分布，并结合扫描电子显微镜获得的绝缘子表面微观形貌特征分析了不同试品表面电荷积聚存在差异的原因。提出了一种由表面电荷测量结果求得表面电荷引起的电场的计算方法，与软件仿真得到的脉冲电压产生的电场相结合，量化了表面电荷积聚对表面电场的影响程度。研究结果显示，表面电荷对绝缘子表面电场有增强或削弱作用，大部分情况会增强电场，最大增强程度可达近2 倍。闪络试验结果证实表面电荷的积聚会降低绝缘子的闪络电压。因此要尽量选择表面电荷积聚少的真空绝缘材料，以提高绝缘强度。
真空绝缘子在航空航天、脉冲功率技术等领域中有广泛的应用。加入绝缘子后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。据报道，美国斯坦福大学线性加速器中心的速调管、日本高能物理国家实验室中的加速器及美国能源部CEBAF 的加速器都曾发生过由于真空中绝缘子沿面闪络现象引起的问题。真空绝缘子的表面电荷积聚会改变外加电压作用时的电场分布，成为发生沿面闪络的隐患。很多研究者对真空绝缘子的表面电荷进行了测量研究，得到了电荷分布情况。但表面电荷积聚对绝缘子表面电场的影响仅停留在定性的一般概念上，其对表面电场的改变趋势和影响程度还需深入量化研究。
本文采用静电探头法，测量得到纳秒脉冲作用下多种绝缘子表面电荷的分布，并进一步计算了积聚电荷引起的电场分布，得到了其对表面电场分布的影响。研究结果表明，表面电荷积聚引起的电场对表面电场有增强或削弱作用，大部分表现为增强作用，最多可使表面电场增强近2 倍。闪络试验结果证实有表面电荷积聚的绝缘子闪络电压有所降低。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为应选用表面电荷积聚较少的材料制作真空绝缘子。
1、试验平台
1.1、试验电源
本研究设计搭建了纳秒脉冲电压发生器作为试验电源，输出电压脉宽为100 ns 左右，上升沿约10ns。输出波形如图1 所示。
图1 纳秒脉冲电压发生器输出波形
1.2、试验腔体
试验腔体为内径200 mm，高200 mm 的不锈钢腔体，极限真空度小于1×10-4 Pa。真空腔的中部圆周线上设置了9 个法兰接口，分别为：高压引线套管接口1 个、接地及测量引线接口3 个、样品二维操作架接口1 个、静电探头支座接口1 个、观察窗接口2 个、真空规管接口1 个，腔体上法兰盖带观察窗，其结构如图2 所示。
图2 试验腔体设计图
1.3、试品和电极
为了便于观察特定区域的电场分布，采用指形电极和圆片试品系统形成稍不均匀电场，结构如图3 所示。在聚四氟乙烯托架上设计浅槽和螺钉将两个电极固定在绝缘托架上，托架中部挖出试品放置圆槽，尺寸为直径19 mm，深度6 mm，下部配一大螺栓，将试样圆片向上轻顶，使其与两个电极充分接触。
图3 电极和试品结构图
试验中所采用的试品是直径19 mm，厚度约5mm 的氧化铝陶瓷圆片。试品分为两种，烧制条件不同，如表1所示。
表1 试品烧制条件
2、结论
(1) 表面电荷的积聚对表面电场有增强或削弱作用，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为总体表现为使表面电场增强。
(2) 本研究中表面电荷使表面电场总体增强15% ～40%，极值可达98%。因此表面电荷的积聚引起的电场对绝缘表面的电场分布有不可忽视的影响。
(3) 表面电荷的积聚改变了表面电场，试验证实有表面电荷积聚的绝缘子的闪络电压有所降低。
(4) 由于表面电荷的积聚会显著改变表面电场分布，降低绝缘子的绝缘强度，因此应选用表面不易积聚电荷的材料制作真空绝缘子。
