真空器件中絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓遠(yuǎn)低于絕緣子自身以及同等長(zhǎng)度真空間隙的閃絡(luò)電壓，影響沿面閃絡(luò)電壓的重要因素是絕緣子表面電荷的積聚，其嚴(yán)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(luò)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(cè)量平臺(tái)來(lái)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(lèi)型的陶瓷試樣的表面電荷分布狀況，并對(duì)電荷的積聚和消散特性進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)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(cè)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(yàn)結(jié)果表明，靜置一個(gè)小時(shí)后，不同試樣的電荷消散量均小于10%。

　　近年來(lái)，隨著大型脈沖功率設(shè)備迅速發(fā)展，以脈沖功率技術(shù)為依托的各種高精尖設(shè)備在軍事工業(yè)、航空航天工業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如中國(guó)的“神龍一號(hào)”直線感應(yīng)加速器、美國(guó)的DARHT-1 加速器以及基于快脈沖直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源(LTD) 技術(shù)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(zhì)，被廣泛的應(yīng)用于這些高精尖脈沖功率裝置中。然而，研究發(fā)現(xiàn)，與空氣或者其他氣體介質(zhì)環(huán)境中情況不同的是，在真空環(huán)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(qiáng)度遠(yuǎn)小于相同大小的純真空間隙或固體絕緣子本身的絕緣強(qiáng)度，影響了許多高精尖真空設(shè)備的運(yùn)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?dú)庵械难孛骈W絡(luò)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)加入絕緣子后真空絕緣系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度的破壞是由于真空中絕緣子表面發(fā)生的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象造成的。華北電力大學(xué)丁立健等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，真空絕緣子沿面閃絡(luò)特性與其表面電荷特性直接相關(guān)。在施加電壓的過(guò)程中，絕緣子表面會(huì)產(chǎn)生電荷積聚，造成帶電現(xiàn)象，表面電荷的出現(xiàn)，提供了放電進(jìn)一步發(fā)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(guò)程中的電場(chǎng)分布。王增彬等對(duì)陡脈沖作用下的真空中氧化鋁陶瓷的沿面閃絡(luò)特性做了大量的研究。國(guó)內(nèi)外對(duì)真空中絕緣子沿面閃絡(luò)的機(jī)理研究工作比較充分，可是對(duì)于真空條件下，納秒脈沖電壓作用時(shí)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(shí)產(chǎn)生的積聚電荷正是造成沿面閃絡(luò)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(cè)量系統(tǒng)，能在不影響真空度的情況下測(cè)量納秒脈沖作用下真空絕緣子表面帶電情況。

　　1、試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

　　為研究真空中納秒脈沖電壓下真空絕緣體表面場(chǎng)強(qiáng)的分布，需要研制相應(yīng)的輸出幅值及脈寬可靈活調(diào)節(jié)的納秒脈沖電壓發(fā)生器，參考國(guó)內(nèi)外Marx 發(fā)生器的研制方法，結(jié)合本文所需的電壓波形以及考慮到試驗(yàn)腔體的絕緣情況，設(shè)計(jì)的納秒脈沖電壓發(fā)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(jīng)過(guò)入線電纜進(jìn)入真空試驗(yàn)腔體，整套結(jié)構(gòu)緊湊、安全、可靠。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

　　1.1、納秒級(jí)脈沖電壓發(fā)生器

　　如圖1 所示，納秒級(jí)脈沖電壓發(fā)生器主要由五部分組成：

　　供電部分：包括工頻試驗(yàn)變壓器、整流硅堆、充電電容、點(diǎn)火球隙。從試驗(yàn)變壓器輸出的工頻電壓經(jīng)過(guò)硅堆整流以后成為直流電壓，對(duì)電容進(jìn)行充電，達(dá)到所需要的電壓的時(shí)候，觸發(fā)點(diǎn)火球隙使得球隙擊穿，產(chǎn)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(guò)計(jì)算成型線的長(zhǎng)度為5.18 m。

　　氣隙開(kāi)關(guān)：脈沖擊穿氣隙開(kāi)關(guān)腔體中的電極，陡化脈沖上升沿為幾納秒到十幾個(gè)納秒。氣隙開(kāi)關(guān)中充有氮?dú)�，�?fù)載一定時(shí)，調(diào)節(jié)氣隙開(kāi)關(guān)內(nèi)部氮?dú)獾臍鈮嚎梢愿淖儦庀堕_(kāi)關(guān)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(jīng)過(guò)入線電纜，進(jìn)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(yīng)以及耐壓強(qiáng)度，在末端匹配了50Ω 硫酸銅電阻。

　　1.2、納秒級(jí)脈沖電容分壓器

　　納秒脈沖的測(cè)量端采用的是納秒級(jí)脈沖電容分壓器，為同軸結(jié)構(gòu)，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(gòu)成，低壓臂電容由銅箔和接地鋁夾構(gòu)成，電纜絕緣層和聚乙烯薄膜分別構(gòu)成兩級(jí)電容器的介質(zhì)。分壓器的分壓比和帶寬通過(guò)方波響應(yīng)計(jì)算為476.45：1 和56.69 MHz，如圖3 所示。通過(guò)此分壓器測(cè)得的脈沖發(fā)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(yàn)要求。

圖2 電容分壓器

圖3 電容分壓器方波相應(yīng)

圖4 納秒脈沖電壓發(fā)生器輸出波形

　　1.3、真空系統(tǒng)

　　根據(jù)實(shí)際條件，本試驗(yàn)系統(tǒng)選用2XZ-4型機(jī)械泵作為前級(jí)泵，F(xiàn)-100/110 型分子泵作為二級(jí)泵的真空機(jī)組。啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)試驗(yàn)腔體進(jìn)行抽氣，經(jīng)過(guò)10 h，此機(jī)組基本達(dá)到極限真空度為1.33 × 10^-5 Pa。在本項(xiàng)目的試驗(yàn)過(guò)程中，一般保持試驗(yàn)腔體的真空度為1.5 × 10^-3 Pa。

　　2、結(jié)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(fā)生平臺(tái)和一整套基于靜電容探頭法的絕緣子表面電荷測(cè)量系統(tǒng)。納秒級(jí)脈沖發(fā)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(cè)量系統(tǒng)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(duì)不同類(lèi)型的陶瓷試樣進(jìn)行表面電荷測(cè)量試驗(yàn)，得到了通過(guò)靜電探頭法測(cè)得的探頭處電位，計(jì)算求得表面電荷密度的分布狀況，分析對(duì)比了不同試樣表面電荷的積聚和消散特性。試驗(yàn)結(jié)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(cè)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(huì)增加試樣表面積聚電荷量。不同的試樣由于燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的，導(dǎo)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(jié)溫度較高并且保溫時(shí)間最長(zhǎng)，因此，在同等試驗(yàn)條件下，其表面電荷的積聚量最大。

　　(3) 對(duì)不同試樣進(jìn)行了消散特性的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(cè)量過(guò)程中，電荷的消散對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，保證了試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可分析性。