快速空間電荷測(cè)量用高壓高頻脈沖源的研究

萬(wàn)佳東， 吳建東， 黃若棟， 陳亞丁， 尹毅

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

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快速空間電荷測(cè)量用高壓高頻脈沖源的研究

萬(wàn)佳東， 吳建東， 黃若棟， 陳亞丁， 尹毅

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

采用電聲脈沖法測(cè)量空間電荷時(shí)需要對(duì)試樣施加脈沖激勵(lì)，使試樣中的空間電荷發(fā)生微弱位移產(chǎn)生機(jī)械波。為了獲得足夠高的信噪比，必須連續(xù)采集多個(gè)信號(hào)進(jìn)行平均處理，對(duì)于多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)平均次數(shù)至少需要40次。測(cè)量一次所需時(shí)間為脈沖頻率和平均次數(shù)的乘積，因此脈沖源的頻率決定了測(cè)量的速度?；诟邏汗腆w開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了高壓高頻脈沖源，可產(chǎn)生半峰寬5 ns至380 ns的窄脈沖，兼具連續(xù)脈沖模式和脈沖簇模式，脈沖重復(fù)頻率可達(dá)3 kHz，在脈沖簇模式下脈沖間隔最小為1 μs，輸出脈沖幅值最大為2.5 kV。經(jīng)設(shè)備校驗(yàn)可知脈沖源可有效提高空間電荷測(cè)試速度，并適用于交流甚至任意波形下的空間電荷測(cè)試。

電聲脈沖法； 空間電荷； 固體開(kāi)關(guān)； 高頻高壓脈沖源； 窄脈沖； 脈沖簇

0 引 言

近年來(lái)，聚合物電介質(zhì)材料因具有良好的電氣性能、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械特性等，常常用于電氣設(shè)備的絕緣。然而在高壓運(yùn)行工況中，聚合物材料容易積聚空間電荷，當(dāng)空間電荷積聚量達(dá)到一定程度時(shí)，將使材料內(nèi)部的電場(chǎng)發(fā)生畸變、集中加速材料老化，甚至絕緣擊穿，威脅電氣設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-2]。因此聚合物材料中的空間電荷檢測(cè)具有很大的實(shí)際意義。

空間電荷檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，目前主要有壓力波擴(kuò)展法(Pulsed Wave Propagation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWP)、激光調(diào)制壓力波法(Laser Induced Pressure Pulse，簡(jiǎn)稱(chēng)LIPP)、電聲脈沖法(Pulsed electro-acoustic,簡(jiǎn)稱(chēng)PEA)等，其中PEA法由T. Takada教授在1983年提出，目前被廣泛應(yīng)用于聚合物空間電荷測(cè)量[3-4]。

在使用PEA法測(cè)量空間電荷時(shí)，需要對(duì)試樣同時(shí)施加高壓電場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)。每對(duì)試樣施加一個(gè)脈沖激勵(lì)將得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的空間電荷信號(hào)。單個(gè)空間電荷信號(hào)的信噪比較低，必須對(duì)多個(gè)空間電荷信號(hào)進(jìn)行平均處理。對(duì)于一般的測(cè)試系統(tǒng)，至少進(jìn)行40次的平均[5]。傳統(tǒng)的脈沖源基于水銀開(kāi)關(guān)產(chǎn)生窄脈沖，受水銀開(kāi)關(guān)物理結(jié)構(gòu)的限制，輸出的脈沖最大重復(fù)頻率僅為數(shù)百赫茲，需要采集數(shù)秒甚至數(shù)十秒內(nèi)獲得的空間電荷信號(hào)進(jìn)行平均得到高信噪比的信號(hào)，因此很難測(cè)量快速變化的空間電荷。

為克服上述不足，采用MOSFET高壓固體開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了高壓高頻脈沖源，該脈沖源能很好的適應(yīng)電聲脈沖法的快速空間電荷測(cè)量。

1 空間電荷測(cè)試系統(tǒng)概述

PEA法空間電荷測(cè)試系統(tǒng)的基本原理如圖1所示，絕緣試樣置于兩個(gè)鋁電極之間，高壓電源通過(guò)限流電阻R對(duì)試樣施加測(cè)試所需的高壓電場(chǎng)，脈沖源輸出半峰寬為納秒級(jí)的脈沖。試樣中的空間電荷在脈沖電場(chǎng)下受到庫(kù)侖力的作用發(fā)生輕微位移，產(chǎn)生機(jī)械聲波在試樣中傳播。下電極處的PVDF壓電傳感器接收聲波并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大器放大后輸入示波器，保存數(shù)據(jù)后存入計(jì)算機(jī)。通過(guò)檢測(cè)到的聲波信號(hào)強(qiáng)度和傳播到達(dá)時(shí)間判定空間電荷的電荷量和位置[6]。

圖1 PEA法空間電荷測(cè)量原理圖

2 脈沖源原理

脈沖源是PEA法空間電荷測(cè)量系統(tǒng)中的重要組成部分，脈沖的半峰寬和傳感器厚度共同決定了系統(tǒng)的分辨率，脈沖重復(fù)頻率決定了系統(tǒng)測(cè)量所需的時(shí)間[7]。

納秒級(jí)脈沖的形成技術(shù)主要有三種：(1) 微分電路；(2) 峰化電路；(3) 單傳輸線形成窄脈沖。

圖2 水銀繼電器結(jié)構(gòu)圖

空間電荷測(cè)量用的脈沖源一般利用單傳輸線產(chǎn)生窄脈沖。單傳輸線也稱(chēng)之為脈沖形成線，可等效為數(shù)量眾多的小電容和電感組合后的電路。選用合適的開(kāi)關(guān)和負(fù)載，可以產(chǎn)生納秒級(jí)的脈沖[8]。

傳統(tǒng)的脈沖源采用水銀繼電器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。受限于水銀繼電器的機(jī)械特性，其最大關(guān)斷頻率在100 Hz左右。無(wú)法適用快速變化的空間電荷測(cè)量或是任意波形下的空間電測(cè)量，故需選用其他類(lèi)型的開(kāi)關(guān)構(gòu)建高頻脈沖源。

3 高頻高壓脈沖源的硬件設(shè)計(jì)

3.1 快速高壓固體開(kāi)關(guān)

圖3 HTS 50-08-UF高壓固體開(kāi)關(guān)

本文選用德國(guó)BEHLKE公司的HTS 50-08-UF快速高壓固體開(kāi)關(guān)搭建脈沖源,如圖3所示。其由大量MOSFET管串并聯(lián)構(gòu)成，MOSFET管具有低阻抗的特點(diǎn)，獨(dú)立的MOSFET單元能由驅(qū)動(dòng)電路同步控制。該開(kāi)關(guān)的最小關(guān)斷時(shí)間可達(dá)1 μs。在開(kāi)關(guān)的控制端需要輸入一個(gè)TTL控制信號(hào)和5 V的供電電壓。

3.2 結(jié)構(gòu)組成

脈沖源主要由直流高壓源、固體開(kāi)關(guān)、控制電路、同軸電纜組成。如圖4所示，在低壓控制端，5 V直流電平用于開(kāi)關(guān)供電。TTL控制信號(hào)輸入管腳1，控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷。電容C2和C3用于在脈沖簇模式下供能。在高壓端，高壓電源經(jīng)過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)接入固體開(kāi)關(guān)HV-IN端，同軸電纜起脈沖形成線的作用，終端并聯(lián)一匹配電阻，電磁波在形成線中經(jīng)過(guò)折射和反射形成納秒級(jí)窄脈沖。

圖4 脈沖源結(jié)構(gòu)圖

3.3 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)

開(kāi)關(guān)控制信號(hào)可由555定時(shí)器搭建定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，或者直接使用函數(shù)發(fā)生器。由于在脈沖簇模式下，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)也需要是脈沖簇形式，555定時(shí)器不易實(shí)現(xiàn)脈沖簇形式的輸出，故采用Tektronix公司的AFG3000系列任意函數(shù)發(fā)生器。該函數(shù)發(fā)生器能輸出連續(xù)的方波，也可輸出脈沖簇形式的TTL控制信號(hào)。

3.4 供電電路

開(kāi)關(guān)電源可以提供穩(wěn)定的電壓輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。本文選用單端反激式開(kāi)關(guān)電源為固體開(kāi)關(guān)提供供電，其原理圖如圖5所示。這種開(kāi)關(guān)電源成本低，輸出功率在100 W以下，可以同時(shí)輸出不同的電壓，具有較好的電壓調(diào)整率適用于相對(duì)固定的負(fù)載[9]。

圖5 開(kāi)關(guān)電源原理圖

3.5 散熱

當(dāng)脈沖源的負(fù)載為阻性且輸出脈沖的重復(fù)頻率在100 Hz以內(nèi)，損耗的功率可由式(1) 計(jì)算:

Pd=(Rstat·IL2·t)/T

(1)

其中Rstat為脈沖源內(nèi)阻，近似于RL，IL為負(fù)載電流，t為脈沖周期，T為脈沖寬度。

當(dāng)脈沖源的負(fù)載為容性且輸出脈沖的重復(fù)頻率高于100 Hz，損耗的功率可由式(2)計(jì)算:

Pd=(V2·f·CL)/2

(2)

其中V為直流電壓幅值，f為開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率，CL為負(fù)載容值。

脈沖源的損耗功率可達(dá)數(shù)瓦甚至更高，發(fā)熱較為嚴(yán)重。為保證脈沖源正常運(yùn)行，需要對(duì)脈沖源進(jìn)行冷卻，在脈沖源中設(shè)計(jì)有散熱片和風(fēng)扇幫助散熱。

圖6 耦合在試樣上的理想脈沖仿真波形

圖7 考慮離散電感電容后試樣上的脈沖仿真波形

3.6 雜散電容、電感的影響

由于脈沖源輸出的脈沖上升沿、下降沿均為納秒級(jí)，系統(tǒng)中的雜散電容和電感將對(duì)其產(chǎn)生很大的影響。本文使用MATLAB對(duì)雜散電容、電感進(jìn)行了仿真分析，圖6為理想脈沖源輸出后耦合在空間電荷測(cè)試試樣上的脈沖波形，圖7為考慮到雜散電容、電感的影響后的脈沖波形，受雜散電容、電感影響，脈沖波形幅值明顯下降，半峰寬大幅上升，這會(huì)對(duì)空間電荷測(cè)量的準(zhǔn)確性和分辨率產(chǎn)生很大的影響。為了減少雜散電容、電感的影響，應(yīng)選用無(wú)感器件，在脈沖源機(jī)箱中合理布局，減少雜散電容的影響。

4 脈沖源測(cè)試

4.1 連續(xù)模式

圖8 單個(gè)脈沖波形圖

圖9 脈沖簇波形圖

在連續(xù)模式下脈沖源可輸出重復(fù)頻率0～3 kHz的窄脈沖，脈沖最大幅值可達(dá)2.5 kV。通過(guò)調(diào)節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以改變輸出脈沖半峰寬，其范圍在5 ns～380 ns之間，根據(jù)需要測(cè)量的試樣厚度選擇脈沖半峰寬，達(dá)到最好的測(cè)量效果。半峰寬為10 ns時(shí)的單個(gè)脈沖波形如圖8所示。

4.2 脈沖簇模式

如圖4所示，固體開(kāi)關(guān)中接入電容C3和C4后可使用脈沖簇模式。在該模式下脈沖源輸出脈沖簇，脈沖簇的頻率為0～3 kHz，每個(gè)脈沖簇中包含2～100個(gè)脈沖，脈沖最小時(shí)間間隔為1 μs。圖9為測(cè)得的脈沖簇圖像，其中包含30個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為1 μs，脈沖幅值約為620 V，脈沖輸出穩(wěn)定。

5 空間電荷測(cè)量應(yīng)用

圖10 空間電荷測(cè)量信號(hào)

本文研制的脈沖源能夠很好地應(yīng)用于空間電荷測(cè)量，圖10為施加單個(gè)脈沖后PEA測(cè)試系統(tǒng)得到的空間電荷測(cè)量信號(hào)。以選取100個(gè)波形進(jìn)行平均為例，脈沖源在連續(xù)模式下輸出重復(fù)頻率3 kHz的脈沖，測(cè)量約需33 ms，在脈沖簇模式下最少僅需100 μs，而傳統(tǒng)的基于水銀開(kāi)關(guān)的脈沖源至少需要1 s。借助該脈沖源，可有效地測(cè)量變化速度在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的空間電荷分布，這使得交流甚至任意波形下的PEA法空間電荷測(cè)量成為可能。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于快速高壓固體開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)研制了一種高頻高壓脈沖源。經(jīng)過(guò)調(diào)試可知脈沖源在連續(xù)模式下可輸出重復(fù)頻率最高為3 kHz的窄脈沖，脈沖寬度在5 ns～380 ns間可調(diào)，脈沖幅值最大為2.5 kV；在脈沖簇模式下可輸出0～3 kHz的脈沖簇，脈沖簇包含2～100個(gè)脈沖，脈沖最小時(shí)間間隔為1 μs。該脈沖源適用于PEA法空間電荷測(cè)量，可以有效的減少測(cè)量所需時(shí)間，為快速變化的空間電荷測(cè)量提供了硬件基礎(chǔ)。

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[4] 吳建東，尹毅，蘭莉，等．納米復(fù)合介質(zhì)中空間電荷行為的影響[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(28): 177-183．

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A Study on High-Voltage High-frequency Pulse Source Applied in Fast Space Charge Measurement

Wan Jiadong, Wu Jiandong, Huang Ruodong, Chen Yading, Yin Yi

(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Pulsed excitation of samples is required when space charge is measured in the pulsed electro-acoustic method (PEA), so that space charge may be displaced slightly in the sample to trigger mechanic waves. To obtain a sufficiently high S/N ratio, it is necessary to collect several signals in succession and average them, with number of signal averaged being at least 40 for most testing systems. As the time needed for each measurement is the product of pulse frequency and number of averaging times, the frequency of the pulse source determines the measurement speed. Based on the high-voltage solid switch, a high-voltage high-frequency pulse source is designed to generate narrow pulses of 5 ns～380 ns half-peak width with characteristics of both continuous pulse mode and pulse burst mode, which have up to 3 kHz pulse repetition frequency, a minimal pulse interval of 1 μs in the pulse burst mode, and up to 2.5 kV output pulse amplitude. Equipment calibration shows that this pulse source can greatly raise the testing speed for space charge, and is applicable to the test of space charge in the AC and even arbitrary waveforms.

pulsed electro-acoustic method; space charge; solid switch; high-frequency high-voltage pulse source; narrow pulse;pulse burst

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51327002)，中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M570364)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.014

TM85

A

1000-3886(2016)03-0041-03

萬(wàn)佳東(1990-)，男，浙江人,碩士生，專(zhuān)業(yè)：電氣工程，主要從事交流空間電荷測(cè)試技術(shù)的研究。

定稿日期: 2015-12-28