脈沖電壓下固體絕緣材料真空沿面電氣強度試驗方法

1脈沖電壓下固體絕緣材料真空沿面電氣強度試驗方法本文件根據(jù)典型脈沖功率源參數(shù)，規(guī)定了脈沖電壓下固體絕緣材料真空沿面電氣強度試驗方法。本文件適用于真空度小于5×10~2Pa、脈沖電壓上升沿<150ns、半高寬<1μs下固體絕緣材料真空沿面電氣強度試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T10580—2015固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標準條件GB/T2900.19—2022電工術語高電壓試驗技術和絕緣配合GB/T1408.1—2016絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分：工頻下試驗GB/T29310—2012電氣絕緣擊穿數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析導則JB/T8168—2023脈沖電容器及直流電容器3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。相對較長的時間內(nèi)存儲的能量經(jīng)過快速壓縮、轉換有效放給負載產(chǎn)生的短時功率。脈沖功率源pulsepowersource產(chǎn)生脈沖功率的試驗設備。脈沖電壓pulsevoltage脈沖功率源各個部件產(chǎn)生的短時電壓。脈沖電壓上升時間pulsevoltagerisetime脈沖電壓從10%峰值上升至90%峰值的時間。脈沖電壓半高寬pulsevoltagehalfwidth脈沖電壓大于50%電壓峰值的持續(xù)時間。2脈沖電壓底寬pulsevoltagewidth脈沖電壓大于10%電壓峰值的持續(xù)時間。脈沖功率源電壓pulsepowersourcevoltage脈沖功率源負載上產(chǎn)生的脈沖電壓。絕緣材料insulatingmaterial具有可忽略不計的低電導率的固體材料，用于隔離電勢不同的導體部分。本文件只涉及固體絕緣材相關絕緣材料試驗規(guī)范中描述的試驗時采用的標準樣品。真空介質中支撐電極的固體絕緣材料表面。氣體、液體或真空全部或部分沿固體絕緣介質表面發(fā)生的破壞性放電。試樣電壓specimenvoltage由脈沖功率源產(chǎn)生并加載在固體絕緣材料制備試樣上的脈沖電壓。閃絡電壓flashovervoltage試樣發(fā)生閃絡時試樣電壓。在規(guī)定的試驗條件下，閃絡電壓與兩電極之間距離的商。脈沖重復頻率pulserepetitivefrequency兩次脈沖電壓加載在試樣上時間間隔的倒數(shù)。在一段時間內(nèi)，充放電過程中出現(xiàn)的單次放電沖擊。在較短時間內(nèi)，集中出現(xiàn)的多個放電沖擊。3連續(xù)脈沖continuouspulse在一段時間內(nèi)，重復出現(xiàn)的放電沖擊。電壓加載模式voltageappliedmode由脈沖功率源產(chǎn)生并加載在固體絕緣材料制備試樣上的脈沖電壓加載模式。本文件中主要包括單次脈沖加載、猝發(fā)脈沖加載和連續(xù)脈沖加載。試樣電流specimencurrent試樣承受脈沖電壓加載下的脈沖電流，包括位移電流和傳導電流。本文件主要指傳導電流。試樣發(fā)生閃絡時沿面通過的試樣電流?？上拗崎W絡電流大小的電阻元件。電壓探頭voltageprobe可測試脈沖電壓的測試器件。電流探頭voltageprobe可測試脈沖電流的測試器件。測試所采用的試驗回路如圖1。試樣與電極共同安裝在真空腔內(nèi)形成支路，支路與脈沖功率源負載并聯(lián)。真空腔抽取真空達到目標真空度。脈沖功率源負載上放電產(chǎn)生的脈沖功率源電壓通過支路加載在試樣上產(chǎn)生試樣電壓。當試樣真空沿面不能承受試樣電壓發(fā)生真空沿面閃絡，可得到真空沿面閃絡電壓參數(shù)，通過計算獲得試樣真空沿面電氣強度。采用電壓探頭分別測試脈沖功率源電壓和試樣電壓。采用電流探頭測試試樣電流，通過限流電阻控制試樣閃絡電流。脈沖功率源電壓、試樣電壓和試樣電流使用示波器收集波形信號。通過該試驗方法獲得的結果可提供固體絕緣材料真空沿面電氣強度試驗數(shù)據(jù)。4電壓探頭1電壓探頭1脈沖功率源限流電阻試樣接地電極電流探頭示波器圖1試驗回路示意圖5技術要求5.1電氣設備5.1.1脈沖功率源脈沖功率源具有以下要求：a)負載上可以產(chǎn)生脈沖功率源電壓，電壓半高寬<1μs,電壓上升沿<150ns,電壓波形可為三角波、方波，電壓波形時間參數(shù)具體讀取方式見附錄A;負載參數(shù)與脈沖功率源參數(shù)相關，應保證試樣上獲得所需的電壓參數(shù)；b)脈沖功率源電壓可輸出加載在試樣上的試樣電壓；c)脈沖功率源電壓為單極性負電壓或正電壓；d)脈沖功率源電壓幅值應保障試樣可以發(fā)生真空沿面閃絡。5.1.2限流電阻脈沖功率源電壓通過限流電阻加載在試樣高壓電極，控制試樣閃絡電流幅值。限流電阻其阻值的選擇依據(jù)為控制閃絡電流的大小在一個合適的范圍內(nèi)，本文件約定閃絡電流幅值<2kA?？蛇x擇水電阻或者固體電阻，應耐受真空沿面閃絡帶來的脈沖功率加載。5.1.3電壓探頭電壓探頭包括脈沖功率源電壓探頭和試樣電壓探頭。電壓探頭參數(shù)不能對脈沖功率源放電回路和試樣電壓加載回路產(chǎn)生明顯影響。電壓探頭響應時間需滿足脈沖功率源電壓和試樣電壓測試要求，建議電壓探頭響應時間不大于被測信號三分之一上升時間。電壓探頭應經(jīng)過標定，確保測試結果真實可靠。標定方法是將電壓探頭與標準電壓探頭比對，標準電壓探頭可以采用脈沖及交直流通用的高電壓測量探頭。脈沖功率源電壓探頭和試樣電壓探頭安裝位置不作限定，脈沖功率源電壓探頭建議放置在負載電阻高壓端，試樣電壓探頭建議放置在高壓電極端。5.1.4電流探頭試樣電流探頭響應時間需滿足試樣電流測試要求，建議電流探頭響應時間不大于被測信號三分之一上升時間。電流探頭應經(jīng)過標定，確保測試結果真實可靠。標定方法是將電流探頭與標準電流探頭比5對。標準電流探頭應滿足脈沖電流計量要求，也可采用標準電流探頭直接測量。試樣電流探頭安裝位置不作限定，建議放置在固體絕緣材料試樣接地端。真空腔用于放置固體絕緣材料試樣和電極。真空腔具備脈沖功率源電壓加載在高壓電極的條件。真空腔要保證真空度可抽取至5×10-2Pa及更低的真空條件。5.3電極與試樣5.3.1電極與試樣裝配結構電極包括高壓電極和接地電極，采用平行平板電極結構測量圓柱形試樣真空沿面電氣強度，電極距離為兩個平行平板之間垂直最短距離。電極與試樣結構參數(shù)盡量減少對脈沖功率源電壓參數(shù)影響。試樣放置在兩個平行平板電極之間。安裝時電極和試樣表面均要保持光滑、清潔。電極連接導線不能使電極傾斜或移動，也不能使試樣周圍的電場分布受到顯著影響。裝配前電極和試應樣進行充分清洗，裝配在潔凈的工作環(huán)境中進行，裝配后保證電極和試樣充分接觸，試樣與電極的同軸度應控制在≤2mm。電極與試樣結構如圖所示：DHO10.02R8健說明圖2平行平板電極和試樣結構電極材料選用不銹鋼，電極表面粗糙度Ra≤1.6μm。電極最大直徑D≥100mm,電極厚度≥8mm,邊緣倒圓半徑R建議為(8.0±0.2)mm的圓弧。試樣為固體絕緣材料，具體材料由試驗需求方確定。試樣結構為圓柱，如圖3所示。需注意與電極接觸的試樣上下表面要平行，表面粗糙度不大于1.6μm。試樣上下表面平面度為0.02mm,平行度為0.02mm。試樣直徑50mm,厚度H根據(jù)試驗需求方調整，建議≥4mm。試驗需求方可根據(jù)技術需求調整試樣沿面結構。6圖3圓柱試樣結構6試驗條件6.1電極與試樣試驗前處理6.2真空處理6.3脈沖功率源設備條件所示。單次脈沖一次輸出一個脈沖。猝發(fā)脈沖一次輸出n個脈沖(2≤n<10),脈沖電壓時間間隔由脈沖功率源重復頻率確定。連續(xù)脈沖一次輸出N個脈沖(N≥10),脈沖間隔也由脈沖功率源重復頻率確定。每次電壓重新加載需脈沖功率源設備再次具備充電能力，時間建議大于1分鐘。由于部分真空沿面閃絡電壓幅值和時間參數(shù)需要通過理論波形推算，建議試驗開始前采用不影響試驗回路參數(shù)的試樣開a)單次脈沖b)猝發(fā)脈沖c)連續(xù)脈沖圖4脈沖加載模式7正式試驗開始前，確定脈沖功率源充電系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)、開關充氣狀態(tài)等。正式試驗過程中及時關注脈沖功率源各系統(tǒng)狀態(tài)，避免出現(xiàn)異常影響測試結果。電壓探頭和電流探頭已經(jīng)放置在測試位置。7試驗項目及試驗方法7.1試驗項目試驗項目按照電壓加載模式分為單次脈沖試驗、猝發(fā)脈沖試驗、連續(xù)脈沖試驗。7.2試驗方法試樣測試按表1中所述流程開展測試：a)已明確脈沖功率源電壓輸出范圍；b)真空腔真空度達到要求，記錄真空度；c)開始加壓，若第一次加壓發(fā)生閃絡，更換試樣；d)根據(jù)試驗項目類型，電壓施加流程和測試內(nèi)容見表1;e)加壓結束，填報數(shù)據(jù)。表1電壓施加流程和測試內(nèi)容電壓加載模式單次脈沖連續(xù)脈沖同一電壓等級下加載次數(shù)同一電壓等級下對試樣施加6同一電壓等級下對試樣連續(xù)施加N次脈沖電壓，N次壓。幅度要求b)試樣電壓100kV-200kV,升壓幅加壓過程及測錄為首次閃絡電壓(Ufb)d)開始逐級降壓，降壓幅度發(fā)生閃絡直接降至下一e)試驗結束為最大閃絡電壓(Uco)。d)開始逐級降壓，降壓幅度與閃絡直接降至下一電壓等受電壓(Uho)。e)試驗結束a)試樣第一次發(fā)生閃壓下K次(K=N/2)及以c)開始逐級降壓，降壓幅度與升壓幅度保持不發(fā)生閃絡，停止降d)試驗結束閃絡電流88結果分析及判定8.1閃絡判定閃絡同時伴有試樣電流增加和試樣電壓下降的現(xiàn)象。通過示波器觀測試樣電壓和試樣電流，典型閃絡電壓和電流如圖5所示。0電流1電流電壓圖5典型閃絡電壓和閃絡電流波形8.2試驗次數(shù)除非另有規(guī)定，通常采用五個同類規(guī)格試樣作為一組試驗樣品組開展試驗測試。如果任何一個試樣的最大閃絡電壓與該組最大電壓平均值的偏離值x大于25%以上，則應另作五個試樣的試驗。偏離值x計算方法如公式1:Uco-i——某個試樣最大閃絡電壓，U該組試樣組最大閃絡電壓平均值。閃絡電壓參數(shù)包括峰值和時間。閃絡電壓峰值讀取為該發(fā)次試樣電壓峰值。試樣電壓峰值有三種情a)試樣未發(fā)生真空沿面閃絡，取電壓波形最大值；b)試樣發(fā)生真空沿面閃絡時間在試樣電壓最大值之后，取電壓波形最大值；c)試樣發(fā)生真空沿面閃絡時間在試樣電壓最大值之前，通過加壓梯度外推或其他標定方法獲得的該發(fā)次電壓波形理論最大值。加壓梯度外推方式由電氣設備試驗單位提供。閃絡電壓時間參數(shù)讀取為試樣電壓時間參數(shù)，包括上升時間、脈寬和底寬。試樣電壓上升時間包括兩種情況：a)試樣發(fā)生真空沿面閃絡時間在試樣電壓最大值之后，取實際電壓波形計算；b)試樣發(fā)生真空沿面閃絡時間在試樣電壓最大值之前，通過波形比對方法獲得該發(fā)次未發(fā)生閃絡的理論電壓波形，根據(jù)理論電壓波形計算。試樣電壓半高寬和底寬都通過波形比對方法獲得未閃絡的理論電壓波形，根據(jù)理論電壓波形計算。9將一組5個或者10個試樣的閃絡數(shù)據(jù)進行處理，主要包括閃絡電壓、閃絡電流、電氣強度、閃絡電壓時間，如表2所示。表2數(shù)據(jù)處理方式數(shù)據(jù)類型閃絡電壓閃絡電流電氣強度閃絡電壓時間c)該組63.2%閃絡概率電壓。源：GB/T29310電氣絕緣擊穿數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析導則)閃絡電壓與電極間距的商：a)首次閃絡沿面電氣強度(Erb)氣強度(Es0%)c)最大閃絡電氣強度(Ec)9報告格式通常將下列內(nèi)容寫入報告。報告中數(shù)據(jù)記錄為整數(shù)。a)試樣材料全稱，試樣生產(chǎn)廠家，試樣樣品組編號和試樣編號；b)試驗單位、試驗日期；c)真空度；d)試樣直徑與厚度；e)電極類型和電極間距；f)重復頻率；g)該組63.2%閃絡概率電壓。根據(jù)每個樣品實驗報告后整合樣品組實驗數(shù)據(jù)報告應包括以下內(nèi)容，參考表格如表3示。a)真空沿面閃絡電壓平均值，包括首次閃絡電壓、首次50%閃絡電壓、最大閃絡電壓、耐受電壓；b)真空沿面閃絡電壓標準差，包括首次閃絡電壓、首次50%閃絡電壓、最大閃絡電壓、耐受電壓；C)真空沿面閃絡電壓最大偏離值，包括首次閃絡電壓、首次50%閃絡電壓、最大閃絡電壓、耐受電d)真空沿面閃絡電壓時間參數(shù)，包括首次閃絡電壓、首次50%閃絡電壓、最大閃絡電壓分別對應的閃絡電壓上升時間、半高寬和底寬；e)真空沿面電氣強度平均值，包括首次閃絡電氣強度、首次50%閃絡電氣強度、最大閃絡電氣強度和耐受電氣強度；f