CN1945305A - 重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法和装置，确定脉冲电源(1)的输出电压，调节击穿电极(18)间隙，脉冲发生器(2)发出启动脉冲，使脉冲电源(1)输出重复频率高压脉冲，示波器(8)被触发启动，并有一个通道击穿；经过一定的耐受时间后，击穿电极(18)的间隙被击穿，电压传感器(6)和电流传感器(5)检测击穿电压和击穿电流，示波器(7)记录击穿时的电压与电流信号。此时示波器(7)的逻辑端口TTL发出一个低电平信号被示波器(8)的另一测量通道检测到，同时示波器(7)逻辑端口TTL输出的信号也同步送入脉冲发生器(2)的外触发端口内实现脉冲电源(1)的自动关停，最后测量得到电压、电流和耐受时间信号。

Description

重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法及装置

技术领域

本发明涉及绝缘介质在重复频率纳秒脉冲下击穿特性的实验方法及装置，特别涉及纳秒高压脉冲下气体介质击穿特性实验方法及装置。

背景技术

有关气体、液体和固体电介质在直流、工频交流和雷电波冲击脉冲等常规条件下的击穿特性已经进行了相当多的研究。近年来，非常规条件下电介质材料性能及高电压绝缘技术，不同形式和条件的气体放电规律等引起了国内外研究关注，尤其是窄脉冲下击穿特性是一个研究热点。纳秒脉冲、高场强等极端条件下电介质击穿特性的研究越来越受到关注，纳秒脉冲气体放电研究源于脉冲功率技术迅速发展的需求，目前国内外研究较少涉及。国内外的研究机构、大学等相继开展了一些纳秒脉冲介质击穿的研究工作。其中美国的Sandia等国家实验室、空军研究实验室、海军武器研究中心、德州技术大学脉冲功率技术实验室；俄罗斯(包括前苏联)科学院下属的大电流研究所、电物理所、高温所等研究所；英国原子武器研究中心、斯特拉思克莱德大学等进行了有关纳秒脉冲击穿的研究工作。近年来国内诸如中国工程物理研究院、西北核技术研究所、中科院电工所、清华大学等单位也开展了少量的研究工作，但目前普遍缺少重复频率纳秒脉冲下介质击穿特性方面的研究，尤其是气体方面的研究结果。目前纳秒脉冲下的实验结果基本都是单次脉冲下的击穿结果，多是测量击穿电压与电流等信号，而少量重复频率纳秒脉冲下的结果也是测量其中某个单次脉冲下的结果或者设计一个专门的电路来测量重复频率脉冲序列。重复频率纳秒脉冲下击穿是在施加一序列的脉冲后才击穿，击穿需要承受一定的时间，而不同于直流、交流或单次脉冲下击穿只有一个相对很短的时延，而且每个脉冲是纳秒级脉宽，而击穿承受的时间是很长的，可以达到数十秒或更长，一般需要一个高速的控制和采集电路来测量得到施加的脉冲个数及脉冲波形。文献(Rev.Sci.Instr.59(7)，1988)提供了一种相对较为简单的电子线路提供实时触发和分段测量，实现了测量重复频率脉冲的脉冲波形和脉冲个数，但这种电路一般测量的脉冲脉宽一般是微秒级，而且能完成测量连续脉冲的最高频率是40Hz。此外，重复频率纳秒脉冲下需要设计电路实现间隙击穿后防止脉冲电源长期处于短路状态，确保脉冲电源的安全。因此重复频率纳秒脉冲下的击穿电压、电流不同于传统方法，需要测量重复频率纳秒脉冲施加的时间，并能自动关停脉冲电源。

发明内容

本发明的目的是提供一种重复频率纳秒脉冲介质击穿实验方法及装置，不需要设计专门的电子线路来测量，可实现脉冲电源的自动关停。本发明可在实验室内开展不同绝缘介质在重复频率纳秒脉冲下的击穿和闪络特性，可适用于气体、液体、固体的体击穿，或其中两种介质交界面的闪络，获得反映各种绝缘材料的击穿和闪络特性数据，分析得到不同介质在纳秒脉冲极端条件下的绝缘特性。

本发明重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法说明如下：

首先确定脉冲电源的输出电压，调节一定的击穿电极间隙后，预置脉冲发生器的输出脉冲频率，由脉冲发生器发出启动脉冲使脉冲电源输出重复频率高压脉冲，同时示波器也被触发启动，并有一个通道击穿。当经过一定的耐受时间后，击穿电极的间隙被击穿，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器和电流传感器检测到，并由电流传感器的信号作为触发信号启动示波器，由示波器记录下击穿时的电压与电流信号。在示波器被电流传感器检测到的击穿电流信号触发时，示波器的一个逻辑端口TTL会发出一个低电平信号，这个信号被示波器的另一个测量通道检测得到，从示波器被触发启动时开始到低电平信号的起始处为一次实验中重复频率的耐受时间，同时该示波器逻辑端口TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器的外触发端口内实现脉冲电源的自动关停，最后测量得到的电压、电流、耐受时间信号被送至计算机存储，并由此进一步分析击穿特性。

应用本发明重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法的装置包括重复频率纳秒脉冲电源、脉冲发生器、保护电阻、实验腔、电流测量传感器、电压测量传感器、宽频高速数字存储示波器、微型计算机。脉冲发生器的输出分别接入重复频率纳秒脉冲电源和示波器8，脉冲电源地输出端分别接电压测量传感器和保护电阻，保护电阻的另一端接实验腔，实验腔的输出接电流传感器后接地，电流传感器和电压传感器信号输出端通过等长同轴电缆接示波器7，同时示波器7的逻辑端口TTL接入示波器8的输入端口，示波器7逻辑端口TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器的外触发端口内，两台示波器通过数据转接卡接入计算机。其中：重复频率纳秒脉冲电源为Marx发生器和脉冲形成线结构电源，或者基于半导体断路开关的高重复频率脉冲电源。脉冲发生器为产生标准重复脉冲的控制脉冲发生器。实验腔由带三通阀门及气压表的换气嘴、螺杆及螺母、旋钮杆、动密封旋钮、金属端盖、支撑金属板、接线柱、有机玻璃壳体、击穿电极、光纤导口、接地金属块组成，金属端盖和有机玻璃壳体通过螺杆及螺母连接，并形成一个圆柱状的腔体结构；脉冲电源发出的高压重复频率脉冲通过接线柱加到上金属电极上，形成高电位的导体；上金属电极通过支撑金属板、金属端盖固定在有机玻璃腔中；旋钮杆可以用来调节上金属导体位置并测量金属电极间的距离；气体介质可以通过端盖上换气嘴处的三通阀门进入由端盖和有机玻璃壳体形成的腔体，气压可达0.6MPa，液体可以通过打开端盖直接往实验腔内注入液体，固体可以直接夹在电极之间，由于上端口的重量也能保证固体与金属电极之间的紧密接触；实验装置的端盖、有机玻璃壳体、金属接地块、光纤导口、接线柱等部位的连接处采用密封圈或者密封胶进行密封处理。电压测量传感器为耦合电容型电容分压器，是在脉冲电源或者实验腔的金属壳上粘上一层很薄的环氧树脂层，再在环氧树脂层上覆上一层铜皮，在高压导体和铜皮构成电容分压器的高压臂电容，铜皮与金属外壳构成低压臂电容，细导线与铜皮焊接后引出被测电压，通过同轴接头送入示波器。电流测量传感器为无感电阻分流器，在选取合适的无感电阻，无感电阻的数量根据示波器能允许的最高电压及击穿实验时的电流峰值决定，一般为10-20个，焊接在圆柱状的铜管上，焊成一圈。无感电阻的另一端焊在一起并与高压引线焊接，铜管上端与接地板连接，高压引线、铜管下端分别与同轴接头的高、低压端焊接。

目前国内外关于重复纳秒脉冲击穿的实验很少，而且测量电压、电流基本都是测量单次脉冲的电压、电流或者脉冲包络线波形，施加脉冲的时间、防止脉冲电源的长期短路都需要设计专门的电子线路来测量。本发明在借助电压、电流传感器及示波器可以方便简单的实现重复频率纳秒脉冲击穿实验中相关信号的测量。

附图说明

图1为重复频率纳秒脉冲介质击穿实验装置组成原理图，图中：1重复频率纳秒脉冲电源，2脉冲发生器，3保护电阻，4实验腔，5电流测量传感器，6电压测量传感器，7和8宽频高速数字存储示波器，9微型计算机；

图2为实验腔4结构示意图，图中：10三通阀门及气压表的换气嘴，11螺杆及螺母，12旋钮螺杆，13动密封旋钮，14金属端盖，15支撑金属板，16接线柱，17有机玻璃壳体，18金属电极，19光纤导口，20接地金属块；

图3为电压测量传感器6结构示意图，图中：21高压导体，22铜皮，23环氧树脂层，24金属外壳，25细导线；

图4为电流测量传感器5结构示意图，图中：26高压引线，27绝缘板，28接地板，29铜管，30无感电阻，31同轴接头；

图5为重复频率脉冲的耐受时间测量示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实验装置包括重复频率纳秒脉冲电源1、脉冲发生器2、保护电阻3、实验腔4、电流测量传感器5、电压测量传感器6、宽频高速数字存储示波器7、8、微型计算机9。脉冲发生器2的输出分别接入重复频率纳秒脉冲电源1和示波器8，脉冲电源1地输出端分别接电压测量传感器5和保护电阻3，保护电阻3的另一端接实验腔4，实验腔4的输出接电流测量传感器5后接地，电流测量传感器5和电压测量传感器6信号输出端通过等长同轴电缆接示波器7，同时示波器7的逻辑端口TTL接入示波器8的输入端口，示波器7逻辑端口TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器2的外触发端口内，两台示波器7和8通过数据转接卡接入计算机9。其中：重复频率纳秒脉冲电源1为Marx发生器和脉冲形成线结构电源，或者基于半导体断路开关的高重复频率脉冲电源。脉冲发生器2为产生标准重复脉冲的控制脉冲发生器。

图2所示为实验腔4结构。如图2所示，实验腔4由带三通阀门及气压表的换气嘴10、螺杆及螺母11、旋钮螺杆12、动密封旋钮13、金属端盖14、支撑金属板15、接线柱16、有机玻璃壳体17、金属电极18、光纤导口19、接地金属块20组成。其中金属端盖14被固定在有机玻璃壳体17上；三通阀门及气压表的换气嘴10、旋钮杆12、动密封旋钮13都安装在金属端盖14上；接线柱16固定在有机玻璃壳体17上；下金属电极18固定在有机玻璃壳体17内，并与接地金属块20连接；旋转螺杆12上半部分固定在动密封装置中，中间部分固定在支撑金属板15上并与接线柱16连接；金属电极18由上下两个金属电极构成，上金属电极与旋转螺杆12连接，下金属电极与接地金属块20连接；在上金属端盖14和有机玻璃壳体17通过螺杆及螺母11连接，并形成一个圆柱状的腔体结构；脉冲电源1发出的高压重复频率脉冲通过接线柱16加到上金属电极18上，形成高电位的导体；上金属电极18通过支撑金属板15、金属端盖14固定在有机玻璃腔17中；旋钮螺杆12用来调节上、下两个金属电极18的之间的相对位置，并可用游标卡尺测量上、下两个金属电极18间的距离；气体介质可以通过端盖14上换气嘴10处的三通阀门进入由端盖14和有机玻璃壳体17形成的腔体，气压可达0.6MPa；液体介质可以直接注入到腔体内，固体介质可以直接夹在上、下两个金属电极18之间；实验装置的金属端盖14、有机玻璃壳体17、金属接地块20、光纤导口19、接线柱16等部位的连接处采用密封圈或者密封胶进行密封处理。

如图3所示，电压测量传感器6为耦合电容型电容分压器，是在脉冲电源1或者实验腔4的金属壳24上粘上一层很薄的环氧树脂层23，再在环氧树脂层23上覆上一层铜皮22，高压导体21和铜皮22构成电容分压器6的高压臂电容，铜皮22与金属外壳24构成低压臂电容，细导线25与铜皮22焊接后引出被测电压，通过同轴接头送入示波器7。

如图4所示，电流测量传感器5为无感电阻分流器，10个无感电阻30焊接在圆柱状的铜管29上，并联形成一圈，并联后的阻值一般0.1-0.2欧姆。无感电阻30的另一端焊在一起并与高压引线26串联焊接，铜管29上端与接地板28连接，高压引线26、铜管29下端分别与同轴接头31的高、低压端焊接，有机玻璃或者尼龙的绝缘环可用螺母套在高压引线26下，固定在接地板28上，保证高压引线26与接地板28之间的绝缘。

本发明实验方法步骤如下：

首先确定脉冲电源1的输出电压，调节一定的击穿电极18间隙后，预置脉冲发生器2的输出脉冲频率，由脉冲发生器2发出启动脉冲使脉冲电源1输出重复频率高压脉冲，同时示波器8也被触发启动，并有一个通道击穿。当经过一定的耐受时间后，击穿电极18的间隙被击穿，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器6和电流传感器5检测到，并由电流传感器5的信号作为触发信号启动示波器7，由示波器7记录下击穿时的电压与电流信号。在示波器7被电流传感器5检测到的击穿电流信号触发时，示波器7的一个逻辑端口TTL会发出一个低电平信号，这个信号被示波器8的另一个测量通道检测得到，从示波器8被触发启动时开始到低电平信号的起始处为一次实验中重复频率的耐受时间。最后测量得到的电压、电流、耐受时间信号被送至计算机9存储，并由此进一步分析击穿特性。

具体的实验步骤如下：

重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验包括：气体、液体、固体的体击穿实验，及不同绝缘介质的交界面的沿面闪络实验。本发明设计的模拟实验装置可以进行上述的各种体击穿及沿面闪络特性实验。以下结合附图对本发明的模拟实验装置和实验方法做进一步描述。

1、测量击穿时的电压及电流信号。在确定好间隙距离、脉冲电源1的输出电压，首先进行一定数量的单次脉冲下的击穿实验，如果间隙在单次脉冲下可以击穿，则需要再调整间隙条件，使得单次脉冲下无法击穿。当间隙在单次脉冲下不能击穿时，预置脉冲发生器2的输出脉冲频率，同时调节示波器7为单次触发模式，并由电流传感器5对应的通道作为触发通道，并确定一定的触发值，该触发值要稍稍高于干扰噪声的峰值。当间隙被击穿时，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器6和电流传感器5检测到，并由示波器7同步检测到击穿时的电压、电流信号。电压电流信号均通过屏蔽电缆并在终端配备匹配电阻后接入示波器7的通道接头。

2、重复频率脉冲耐受时间的测量。不同于单次脉冲击穿，重复频率纳秒脉冲击穿是在施加持续一定时间后完成的，需要测量这个持续时间及施加的脉冲个数。本发明提供了一种只需要示波器配合就可以测量得到，如图5所示。方法是首先给示波器8预置一定的扫描时间后，将脉冲发生器2的启动信号同步送入示波器8的一个通道中，该信号会给示波器8一个扫描起始信号。同时示波器7的一个逻辑端口TTL的输出接入示波器8的另一个通道上。当间隙被击穿时，逻辑端口TTL会产生一个低电平信号，这个信号也会被示波器8采集到。则本次击穿实验的重复频率纳秒脉冲耐受时间就是从扫描起始信号点到低电平信号出现的起始点。同时根据测量得到的耐受时间，可以计算得到本次击穿实验所施加的纳秒脉冲个数，计算公式如下：

N＝[f·T+1]    (1)

在式(1)中，N为计算得到的脉冲个数，f为施加的脉冲重复频率，单位：Hz，T为测量得到的耐受时间，单位：s。N的计算值取整数部分。

3、击穿后实现脉冲电源1的自动关停。在脉冲电源1发出一序列的脉冲后，间隙击穿后，放电回路被短路，通过电流传感器测量到的信号触发示波器7记录到电压、电流信号的同时，示波器7的逻辑端口TTL的输出送入示波器8的同时，也同步给触发脉冲发生器2一个触发信号，触发脉冲发生器停止给脉冲电源1控制信号，实现了脉冲电源1不再给间隙施加高压脉冲，电源被自动关停。

4、实验数据的采集。对不同的间隙条件、不同的施加电压幅值、重复频率等条件下实验，可以得到不同的电压、电流信号及耐受时间等，并通过示波器7和8记录此时的波形，并可由数据转接卡等送至计算机保存。根据实验数据的稳定性和重复性，考虑到击穿实验的统计规律，可将实验数据分类编号记录。

本发明提供的重复频率纳秒脉冲介质击穿实验方法及装置，可在实验室内开展气体、液体及固体介质在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性实验分析，测量高压纳秒脉冲电压、电流信号，并提供测量重复频率脉冲施加的时间，采集的信号波形经由示波器送至计算机存储处理。该发明可广泛用于教学、科研院所和设备制造厂家，用于对纳秒脉冲下介质击穿特性的理论分析和应用研究。

Claims (5)

1、一种重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法，其特征在于，首先确定脉冲电源(1)的输出电压，调节一定的击穿电极(18)间隙后，预置脉冲发生器(2)的输出脉冲频率，由脉冲发生器(2)发出启动脉冲使脉冲电源(1)输出重复频率高压脉冲，同时示波器(8)也被触发启动，并有一个通道击穿；当经过一定的耐受时间后，击穿电极(18)的间隙被击穿，击穿电压和击穿电流分别被电压传感器(6)和电流传感器(5)检测到，并由电流传感器(5)的信号作为触发信号启动示波器(7)，由示波器(7)记录下击穿时的电压与电流信号；在示波器(7)被电流传感器(5)检测到的击穿电流信号触发时，示波器(7)的一个逻辑端口TTL会发出一个低电平信号，这个信号被示波器(8)的另一个测量通道检测得到，同时示波器(7)逻辑端TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器(2)的外触发端口内实现脉冲电源(1)的自动关停，从示波器(8)被触发启动时开始到低电平信号的起始处为一次实验中重复频率的耐受时间；最后测量得到的电压、电流、耐受时间信号被送至计算机(9)存储，并由此进一步分析介质的击穿特性。

2、应用权利要求1所述的重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法的装置，其特征在于包括重复频率纳秒脉冲电源(1)、脉冲发生器(2)、保护电阻(3)、实验腔(4)、电流测量传感器(5)、电压测量传感器(6)、宽频高速数字存储示波器(7、8)、微型计算机(9)；脉冲发生器(2)的输出分别接入重复频率纳秒脉冲电源(1)和示波器(8)，脉冲电源(1)地输出端分别接电压测量传感器(5)和保护电阻(3)，保护电阻(3)的另一端接实验腔(4)，实验腔(4)的输出接电流测量传感器(5)后接地，电流测量传感器(5)和电压测量传感器(6)信号输出端通过等长同轴电缆接示波器(7)，同时示波器(7)的逻辑端口TTL接入示波器(8)的输入端口，示波器(7)逻辑端口TTL输出的信号也同步被送入脉冲发生器(2)的外触发端口内，两台示波器(7、8)通过数据转接卡接入计算机(9)。

3、按照权利要求2所述的重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法的装置，其特征在于实验腔(4)由带三通阀门及气压表的换气嘴(10)、螺杆及螺母(11)、旋钮螺杆(12)、动密封旋钮(13)、金属端盖(14)、支撑金属板(15)、接线柱(16)、有机玻璃壳体(17)、金属电极(18)、光纤导口(19)、接地金属块(20)组成；金属端盖(14)被固定在有机玻璃壳体(17)上；三通阀门及气压表的换气嘴(10)、旋钮杆(12)、动密封旋钮(13)都安装在金属端盖(14)上；接线柱(16)固定在有机玻璃壳体(17)上；下金属电极(18)固定在有机玻璃壳体(17)内，并与接地金属块(200连接；旋转螺杆(120上半部分固定在动密封装置中，中间部分固定在支撑金属板(15)上并与接线柱(16)连接；金属电极(18)由上下两个金属电极构成，上金属电极与旋转螺杆(12)连接，下金属电极与接地金属块(20)连接；在上金属端盖(14)和有机玻璃壳体(17)通过螺杆及螺母(11)连接，形成一个圆柱状的腔体结构；脉冲电源(1)发出的高压重复频率脉冲通过接线柱(16)加到上金属电极(18)上，形成高电位的导体；上金属电极(18)通过支撑金属板(15)、金属端盖(14)固定在有机玻璃腔(17)中；旋钮螺杆(12)用来调节上、下两个金属电极(18)的之间的相对位置；气体介质通过端盖(14)上换气嘴(10)处的三通阀门进入由端盖(14)和有机玻璃壳体(17)形成的腔体；液体介质直接注入到腔体内，固体介质直接夹在上、下两个金属电极(18)之间；实验装置的金属端盖(14)、有机玻璃壳体(17)、金属接地块(20)、光纤导口(19)、接线柱(16)等部位的连接处采用密封圈或者密封胶进行密封处理。

4、按照权利要求2所述的重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法的装置，其特征在于电压测量传感器(6)为耦合电容型电容分压器，是在脉冲电源(1)或者实验腔(4)的金属壳(24)上粘上一层很薄的环氧树脂层(23)，再在环氧树脂层(23)上覆上一层铜皮(22)，高压导体(21)和铜皮(22)构成电容分压器(6)的高压臂电容，铜皮(22)与金属外壳(24)构成低压臂电容，细导线(25)与铜皮(22)焊接后引出被测电压，通过同轴接头送入示波器(7)。

5、按照权利要求2所述的重复频率纳秒脉冲介质击穿特性实验方法的装置，其特征在于电流测量传感器(5)为无感电阻分流器，无感电阻(30)焊接在圆柱状的铜管(29)上，并联形成一圈；无感电阻(30)的另一端焊在一起并与高压引线(26)串联焊接，铜管(29)上端与接地板(28)连接，高压引线(26)、铜管(29)下端分别与同轴接头(31)的高、低压端焊接，有机玻璃或者尼龙的绝缘环用螺母套在高压引线(26)下，固定在接地板(28)上。

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