真空中納秒脈沖下絕緣子表面電荷積聚對表面電場(chǎng)的影響
真空絕緣子表面電荷的積聚會(huì )改變電場(chǎng)分布，影響絕緣子的閃絡(luò )電壓。為了量化研究表面電荷積聚對表面電場(chǎng)的影響程度，本文采用靜電探頭法測量了真空中納秒脈沖作用下多種陶瓷絕緣子表面電荷的二維分布，并結合掃描電子顯微鏡獲得的絕緣子表面微觀(guān)形貌特征分析了不同試品表面電荷積聚存在差異的原因。提出了一種由表面電荷測量結果求得表面電荷引起的電場(chǎng)的計算方法，與軟件仿真得到的脈沖電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)相結合，量化了表面電荷積聚對表面電場(chǎng)的影響程度。研究結果顯示，表面電荷對絕緣子表面電場(chǎng)有增強或削弱作用，大部分情況會(huì )增強電場(chǎng)，最大增強程度可達近2 倍。閃絡(luò )試驗結果證實(shí)表面電荷的積聚會(huì )降低絕緣子的閃絡(luò )電壓。因此要盡量選擇表面電荷積聚少的真空絕緣材料，以提高絕緣強度。
真空絕緣子在航空航天、脈沖功率技術(shù)等領(lǐng)域中有廣泛的應用。加入絕緣子后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。據報道，美國斯坦福大學(xué)線(xiàn)性加速器中心的速調管、日本高能物理國家實(shí)驗室中的加速器及美國能源部CEBAF 的加速器都曾發(fā)生過(guò)由于真空中絕緣子沿面閃絡(luò )現象引起的問(wèn)題。真空絕緣子的表面電荷積聚會(huì )改變外加電壓作用時(shí)的電場(chǎng)分布，成為發(fā)生沿面閃絡(luò )的隱患。很多研究者對真空絕緣子的表面電荷進(jìn)行了測量研究，得到了電荷分布情況。但表面電荷積聚對絕緣子表面電場(chǎng)的影響僅停留在定性的一般概念上，其對表面電場(chǎng)的改變趨勢和影響程度還需深入量化研究。
本文采用靜電探頭法，測量得到納秒脈沖作用下多種絕緣子表面電荷的分布，并進(jìn)一步計算了積聚電荷引起的電場(chǎng)分布，得到了其對表面電場(chǎng)分布的影響。研究結果表明，表面電荷積聚引起的電場(chǎng)對表面電場(chǎng)有增強或削弱作用，大部分表現為增強作用，最多可使表面電場(chǎng)增強近2 倍。閃絡(luò )試驗結果證實(shí)有表面電荷積聚的絕緣子閃絡(luò )電壓有所降低。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為應選用表面電荷積聚較少的材料制作真空絕緣子。
1、試驗平臺
1.1、試驗電源
本研究設計搭建了納秒脈沖電壓發(fā)生器作為試驗電源，輸出電壓脈寬為100 ns 左右，上升沿約10ns。輸出波形如圖1 所示。
圖1 納秒脈沖電壓發(fā)生器輸出波形
1.2、試驗腔體
試驗腔體為內徑200 mm，高200 mm 的不銹鋼腔體，極限真空度小于1×10-4 Pa。真空腔的中部圓周線(xiàn)上設置了9 個(gè)法蘭接口，分別為：高壓引線(xiàn)套管接口1 個(gè)、接地及測量引線(xiàn)接口3 個(gè)、樣品二維操作架接口1 個(gè)、靜電探頭支座接口1 個(gè)、觀(guān)察窗接口2 個(gè)、真空規管接口1 個(gè)，腔體上法蘭蓋帶觀(guān)察窗，其結構如圖2 所示。
圖2 試驗腔體設計圖
1.3、試品和電極
為了便于觀(guān)察特定區域的電場(chǎng)分布，采用指形電極和圓片試品系統形成稍不均勻電場(chǎng)，結構如圖3 所示。在聚四氟乙烯托架上設計淺槽和螺釘將兩個(gè)電極固定在絕緣托架上，托架中部挖出試品放置圓槽，尺寸為直徑19 mm，深度6 mm，下部配一大螺栓，將試樣圓片向上輕頂，使其與兩個(gè)電極充分接觸。
圖3 電極和試品結構圖
試驗中所采用的試品是直徑19 mm，厚度約5mm 的氧化鋁陶瓷圓片。試品分為兩種，燒制條件不同，如表1所示。
表1 試品燒制條件
2、結論
(1) 表面電荷的積聚對表面電場(chǎng)有增強或削弱作用，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為總體表現為使表面電場(chǎng)增強。
(2) 本研究中表面電荷使表面電場(chǎng)總體增強15% ～40%，極值可達98%。因此表面電荷的積聚引起的電場(chǎng)對絕緣表面的電場(chǎng)分布有不可忽視的影響。
(3) 表面電荷的積聚改變了表面電場(chǎng)，試驗證實(shí)有表面電荷積聚的絕緣子的閃絡(luò )電壓有所降低。
(4) 由于表面電荷的積聚會(huì )顯著(zhù)改變表面電場(chǎng)分布，降低絕緣子的絕緣強度，因此應選用表面不易積聚電荷的材料制作真空絕緣子。
