脈沖電壓下固體絕緣材料真空沿面電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法

1脈沖電壓下固體絕緣材料真空沿面電氣強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)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(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)條件GB/T2900.19—2022電工術(shù)語高電壓試驗(yàn)技術(shù)和絕緣配合GB/T1408.1—2016絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法第1部分：工頻下試驗(yàn)GB/T29310—2012電氣絕緣擊穿數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析導(dǎo)則JB/T8168—2023脈沖電容器及直流電容器3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。相對較長的時(shí)間內(nèi)存儲的能量經(jīng)過快速壓縮、轉(zhuǎn)換有效放給負(fù)載產(chǎn)生的短時(shí)功率。脈沖功率源pulsepowersource產(chǎn)生脈沖功率的試驗(yàn)設(shè)備。脈沖電壓pulsevoltage脈沖功率源各個(gè)部件產(chǎn)生的短時(shí)電壓。脈沖電壓上升時(shí)間pulsevoltagerisetime脈沖電壓從10%峰值上升至90%峰值的時(shí)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(shí)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(shí)間。脈沖功率源電壓pulsepowersourcevoltage脈沖功率源負(fù)載上產(chǎn)生的脈沖電壓。絕緣材料insulatingmaterial具有可忽略不計(jì)的低電導(dǎo)率的固體材料，用于隔離電勢不同的導(dǎo)體部分。本文件只涉及固體絕緣材相關(guān)絕緣材料試驗(yàn)規(guī)范中描述的試驗(yàn)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)樣品。真空介質(zhì)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(zhì)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(luò)電壓flashovervoltage試樣發(fā)生閃絡(luò)時(shí)試樣電壓。在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，閃絡(luò)電壓與兩電極之間距離的商。脈沖重復(fù)頻率pulserepetitivefrequency兩次脈沖電壓加載在試樣上時(shí)間間隔的倒數(shù)。在一段時(shí)間內(nèi)，充放電過程中出現(xiàn)的單次放電沖擊。在較短時(shí)間內(nèi)，集中出現(xiàn)的多個(gè)放電沖擊。3連續(xù)脈沖continuouspulse在一段時(shí)間內(nèi)，重復(fù)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(dǎo)電流。本文件主要指傳導(dǎo)電流。試樣發(fā)生閃絡(luò)時(shí)沿面通過的試樣電流?？上拗崎W絡(luò)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(yàn)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(fù)載并聯(lián)。真空腔抽取真空達(dá)到目標(biāo)真空度。脈沖功率源負(fù)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(dāng)試樣真空沿面不能承受試樣電壓發(fā)生真空沿面閃絡(luò)，可得到真空沿面閃絡(luò)電壓參數(shù)，通過計(jì)算獲得試樣真空沿面電氣強(qiáng)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(luò)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(yàn)方法獲得的結(jié)果可提供固體絕緣材料真空沿面電氣強(qiáng)度試驗(yàn)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(yàn)回路示意圖5技術(shù)要求5.1電氣設(shè)備5.1.1脈沖功率源脈沖功率源具有以下要求：a)負(fù)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(shí)間參數(shù)具體讀取方式見附錄A;負(fù)載參數(shù)與脈沖功率源參數(shù)相關(guān)，應(yīng)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(fù)電壓或正電壓；d)脈沖功率源電壓幅值應(yīng)保障試樣可以發(fā)生真空沿面閃絡(luò)。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(luò)電流幅值。限流電阻其阻值的選擇依據(jù)為控制閃絡(luò)電流的大小在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，本文件約定閃絡(luò)電流幅值<2kA?？蛇x擇水電阻或者固體電阻，應(yīng)耐受真空沿面閃絡(luò)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間不大于被測信號三分之一上升時(shí)間。電壓探頭應(yīng)經(jīng)過標(biāo)定，確保測試結(jié)果真實(shí)可靠。標(biāo)定方法是將電壓探頭與標(biāo)準(zhǔn)電壓探頭比對，標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(yīng)時(shí)間需滿足試樣電流測試要求，建議電流探頭響應(yīng)時(shí)間不大于被測信號三分之一上升時(shí)間。電流探頭應(yīng)經(jīng)過標(biāo)定，確保測試結(jié)果真實(shí)可靠。標(biāo)定方法是將電流探頭與標(biāo)準(zhǔn)電流探頭比5對。標(biāo)準(zhǔn)電流探頭應(yīng)滿足脈沖電流計(jì)量要求，也可采用標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)電極包括高壓電極和接地電極，采用平行平板電極結(jié)構(gòu)測量圓柱形試樣真空沿面電氣強(qiáng)度，電極距離為兩個(gè)平行平板之間垂直最短距離。電極與試樣結(jié)構(gòu)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(gè)平行平板電極之間。安裝時(shí)電極和試樣表面均要保持光滑、清潔。電極連接導(dǎo)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(yīng)樣進(jìn)行充分清洗，裝配在潔凈的工作環(huán)境中進(jìn)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(yīng)控制在≤2mm。電極與試樣結(jié)構(gòu)如圖所示：DHO10.02R8健說明圖2平行平板電極和試樣結(jié)構(gòu)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(yàn)需求方確定。試樣結(jié)構(gòu)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(yàn)需求方調(diào)整，建議≥4mm。試驗(yàn)需求方可根據(jù)技術(shù)需求調(diào)整試樣沿面結(jié)構(gòu)。6圖3圓柱試樣結(jié)構(gòu)6試驗(yàn)條件6.1電極與試樣試驗(yàn)前處理6.2真空處理6.3脈沖功率源設(shè)備條件所示。單次脈沖一次輸出一個(gè)脈沖。猝發(fā)脈沖一次輸出n個(gè)脈沖(2≤n<10),脈沖電壓時(shí)間間隔由脈沖功率源重復(fù)頻率確定。連續(xù)脈沖一次輸出N個(gè)脈沖(N≥10),脈沖間隔也由脈沖功率源重復(fù)頻率確定。每次電壓重新加載需脈沖功率源設(shè)備再次具備充電能力，時(shí)間建議大于1分鐘。由于部分真空沿面閃絡(luò)電壓幅值和時(shí)間參數(shù)需要通過理論波形推算，建議試驗(yàn)開始前采用不影響試驗(yàn)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(yàn)開始前，確定脈沖功率源充電系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)、開關(guān)充氣狀態(tài)等。正式試驗(yàn)過程中及時(shí)關(guān)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(jié)果。電壓探頭和電流探頭已經(jīng)放置在測試位置。7試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)方法7.1試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)項(xiàng)目按照電壓加載模式分為單次脈沖試驗(yàn)、猝發(fā)脈沖試驗(yàn)、連續(xù)脈沖試驗(yàn)。7.2試驗(yàn)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(dá)到要求，記錄真空度；c)開始加壓，若第一次加壓發(fā)生閃絡(luò)，更換試樣；d)根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目類型，電壓施加流程和測試內(nèi)容見表1;e)加壓結(jié)束，填報(bào)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(luò)電壓(Ufb)d)開始逐級降壓，降壓幅度發(fā)生閃絡(luò)直接降至下一e)試驗(yàn)結(jié)束為最大閃絡(luò)電壓(Uco)。d)開始逐級降壓，降壓幅度與閃絡(luò)直接降至下一電壓等受電壓(Uho)。e)試驗(yàn)結(jié)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(luò)，停止降d)試驗(yàn)結(jié)束閃絡(luò)電流88結(jié)果分析及判定8.1閃絡(luò)判定閃絡(luò)同時(shí)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(luò)電壓和電流如圖5所示。0電流1電流電壓圖5典型閃絡(luò)電壓和閃絡(luò)電流波形8.2試驗(yàn)次數(shù)除非另有規(guī)定，通常采用五個(gè)同類規(guī)格試樣作為一組試驗(yàn)樣品組開展試驗(yàn)測試。如果任何一個(gè)試樣的最大閃絡(luò)電壓與該組最大電壓平均值的偏離值x大于25%以上，則應(yīng)另作五個(gè)試樣的試驗(yàn)。偏離值x計(jì)算方法如公式1:Uco-i——某個(gè)試樣最大閃絡(luò)電壓，U該組試樣組最大閃絡(luò)電壓平均值。閃絡(luò)電壓參數(shù)包括峰值和時(shí)間。閃絡(luò)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(luò)，取電壓波形最大值；b)試樣發(fā)生真空沿面閃絡(luò)時(shí)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(luò)時(shí)間在試樣電壓最大值之前，通過加壓梯度外推或其他標(biāo)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(shè)備試驗(yàn)單位提供。閃絡(luò)電壓時(shí)間參數(shù)讀取為試樣電壓時(shí)間參數(shù)，包括上升時(shí)間、脈寬和底寬。試樣電壓上升時(shí)間包括兩種情況：a)試樣發(fā)生真空沿面閃絡(luò)時(shí)間在試樣電壓最大值之后，取實(shí)際電壓波形計(jì)算；b)試樣發(fā)生真空沿面閃絡(luò)時(shí)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(luò)的理論電壓波形，根據(jù)理論電壓波形計(jì)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(luò)的理論電壓波形，根據(jù)理論電壓波形計(jì)算。9將一組5個(gè)或者10個(gè)試樣的閃絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括閃絡(luò)電壓、閃絡(luò)電流、電氣強(qiáng)度、閃絡(luò)電壓時(shí)間，如表2所示。表2數(shù)據(jù)處理方式數(shù)據(jù)類型閃絡(luò)電壓閃絡(luò)電流電氣強(qiáng)度閃絡(luò)電壓時(shí)間c)該組63.2%閃絡(luò)概率電壓。源：GB/T29310電氣絕緣擊穿數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析導(dǎo)則)閃絡(luò)電壓與電極間距的商：a)首次閃絡(luò)沿面電氣強(qiáng)度(Erb)氣強(qiáng)度(Es0%)c)最大閃絡(luò)電氣強(qiáng)度(Ec)9報(bào)告格式通常將下列內(nèi)容寫入報(bào)告。報(bào)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(yàn)單位、試驗(yàn)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(fù)頻率；g)該組63.2%閃絡(luò)概率電壓。根據(jù)每個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)報(bào)告后整合樣品組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容，參考表格如表3示。a)真空沿面閃絡(luò)電壓平均值，包括首次閃絡(luò)電壓、首次50%閃絡(luò)電壓、最大閃絡(luò)電壓、耐受電壓；b)真空沿面閃絡(luò)電壓標(biāo)準(zhǔn)差，包括首次閃絡(luò)電壓、首次50%閃絡(luò)電壓、最大閃絡(luò)電壓、耐受電壓；C)真空沿面閃絡(luò)電壓最大偏離值，包括首次閃絡(luò)電壓、首次50%閃絡(luò)電壓、最大閃絡(luò)電壓、耐受電d)真空沿面閃絡(luò)電壓時(shí)間參數(shù)，包括首次閃絡(luò)電壓、首次50%閃絡(luò)電壓、最大閃絡(luò)電壓分別對應(yīng)的閃絡(luò)電壓上升時(shí)間、半高寬和底寬；e)真空沿面電氣強(qiáng)度平均值，包括首次閃絡(luò)電氣強(qiáng)度、首次50%閃絡(luò)電氣強(qiáng)度、最大閃絡(luò)電氣強(qiáng)度和耐受電氣強(qiáng)度；f