RU2589509C1 - Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material - Google Patents

Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material Download PDF

Info

Publication number
RU2589509C1
RU2589509C1 RU2015117089/28A RU2015117089A RU2589509C1 RU 2589509 C1 RU2589509 C1 RU 2589509C1 RU 2015117089/28 A RU2015117089/28 A RU 2015117089/28A RU 2015117089 A RU2015117089 A RU 2015117089A RU 2589509 C1 RU2589509 C1 RU 2589509C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
breakdown
current
channel
measuring
electrodes
Prior art date
Application number
RU2015117089/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Пахотин
Владимир Александрович Закревский
Николай Тобисович Сударь
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2015117089/28A priority Critical patent/RU2589509C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2589509C1 publication Critical patent/RU2589509C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Relating To Insulation (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment; electricity.
SUBSTANCE: invention relates to physics of electric breakdown and can be used for determination of amplitude and duration of current pulse electric breakdown in dielectric materials. Summary: high constant voltage U from previously charged capacitor with capacitance Cd is supplied to electrodes with dielectric sample arranged between them. Voltage pulse across waveform is measured at breakdown on connected in series with electrodes measuring resistor R circular frequency ω and oscillation damping time τ. Resistance R0 is determined by calculation, and desired values of amplitude and duration of current are found respectively using formulae Im=U/R0, Δt=R0C.
EFFECT: high accuracy of determining current in channel of electric breakdown of dielectric materials.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области физики электрического пробоя и может быть использовано для определения амплитуды и длительности импульса тока электрического пробоя в диэлектриках.The invention relates to the field of physics of electrical breakdown and can be used to determine the amplitude and duration of the pulse of the current of electrical breakdown in dielectrics.

Проблема электрической прочности диэлектриков остается актуальной до сих пор, несмотря на то что исследования в области физики пробоя продолжаются в течение многих десятилетий. В настоящее время отсутствует общепринятая модель электрического разрушения диэлектриков, в частности, полимерных, широко использующихся в качестве изоляции. Нет даже надежных данных о величинах токов пробоя, вызывающих разрушение диэлектриков. Знание истинных величин токов пробоя позволит получить дополнительную информацию о механизме пробоя и сведения об условиях разрушения диэлектриков в электрическом поле и, следовательно, наметить пути повышения их электрической прочности и работоспособности.The problem of the dielectric strength is still relevant, despite the fact that research in the field of breakdown physics has continued for many decades. At present, there is no generally accepted model for the electrical destruction of dielectrics, in particular polymer ones, which are widely used as insulation. There is not even reliable data on the values of breakdown currents that cause the destruction of dielectrics. Knowing the true values of the breakdown currents will provide additional information on the breakdown mechanism and information on the conditions for the destruction of dielectrics in an electric field and, therefore, outline ways to increase their electric strength and performance.

Известен способ определения тока формирования проводящего канала по изменению интенсивности света, испускаемого полупроводниковым источником света (светодиодом, лазером), включенным в цепь заостренного электрода (H. Yamada, Т. Fujiwara and Y. Suzuoki, Electrical breakdown time delay and breakdown propagation velocity in polypropylene under a highly nonuniform field condition., J.Phys.D: Appl. Phys., 26, 1993, 1328-1330). Образец полимера размещали между плоским и заостренным электродами и заливали трансформаторным маслом для предотвращения разряда в воздухе. Ток пробоя измеряли посредством светоизлучающего диода, включенного последовательно с заостренным электродом, используя зависимость яркости свечения диода от величины протекающего по нему тока. Сигнал от диода передавали с помощью световода к фотоэлектронному умножителю, соединенному с осциллографом.A known method for determining the current of formation of a conducting channel by changing the intensity of the light emitted by a semiconductor light source (LED, laser) included in the circuit of a pointed electrode (H. Yamada, T. Fujiwara and Y. Suzuoki, Electrical breakdown time delay and breakdown propagation velocity in polypropylene under a highly nonuniform field condition., J.Phys. D: Appl. Phys., 26, 1993, 1328-1330). A polymer sample was placed between the flat and pointed electrodes and filled with transformer oil to prevent discharge in the air. The breakdown current was measured by a light emitting diode connected in series with a pointed electrode, using the dependence of the brightness of the diode on the magnitude of the current flowing through it. The signal from the diode was transmitted using a fiber to a photomultiplier connected to an oscilloscope.

Недостатком способа является низкая точность определения величины тока канала пробоя, поскольку источник света включен последовательно с образцом. Кроме того, использование источников и приемников света заметно сужает диапазон частот измеряемых токов или напряжений.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the current value of the breakdown channel, since the light source is connected in series with the sample. In addition, the use of light sources and receivers significantly reduces the frequency range of the measured currents or voltages.

Известен способ определения тока через образец путем включения измерителя тока последовательно с емкостью измерительной ячейки с образцом (Liu D., Као К.С. High-field hole injection, conduction, and breakdown in polyethylene films fabricated by plasma polymerization, J. Appl. Phys. 69, 1991, P. 2489-2496). Плоский образец полимера помещался между двумя плоскими электродами, один из которых напылялся на поверхность полимера в вакууме. На электроды подавали линейно изменяющееся напряжение и измеряли ток проводимости и пробоя с помощью логарифмического амперметра, включенного последовательно с электродами.A known method for determining the current through the sample by turning on the current meter in series with the capacity of the measuring cell with the sample (Liu D., Kao K.S. High-field hole injection, conduction, and breakdown in polyethylene films fabricated by plasma polymerization, J. Appl. Phys 69, 1991, P. 2489-2496). A flat polymer sample was placed between two flat electrodes, one of which was sprayed onto the surface of the polymer in vacuum. A linearly varying voltage was applied to the electrodes, and the conductivity and breakdown current were measured using a logarithmic ammeter connected in series with the electrodes.

Недостаток этого способа - низкая точность измерения тока, т.к. измеряется не истинный ток пробоя, а ток, определяемый элементами измерительной цепи (индуктивность проводов, ограничительные резисторы), сопротивление которых может превышать сопротивление канала пробоя.The disadvantage of this method is the low accuracy of current measurement, because not the true breakdown current is measured, but the current determined by the elements of the measuring circuit (wire inductance, limiting resistors), the resistance of which can exceed the resistance of the breakdown channel.

Наиболее близким к заявляемому способу (прототипом) является способ измерения проводимости образца (Р. Ринкунас, С. Кускявичюс, Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 1, стр. 135). Образец диэлектрика помещается между проводящей подложкой (плоским электродом) и игольчатым электродом. Перед измерением конденсатор, включенный в цепь с образцом, заряжается источником напряжения до напряжения, необходимого для пробоя между поверхностью образца и иглообразным электродом. При этом также заряжается и дополнительный конденсатор большей емкости. Величина этого заряда измеряется при разряде конденсатора через измерительное сопротивление с помощью осциллографа. При увеличении проводимости образца в конденсаторе накапливается все больший заряд. По величине этого заряда можно судить о проводимости исследуемого образца.Closest to the claimed method (prototype) is a method for measuring the conductivity of a sample (R. Rinkunas, S. Kuskevičius, Journal of Technical Physics, 2009, Volume 79, Issue 1, p. 135). A dielectric sample is placed between the conductive substrate (flat electrode) and the needle electrode. Before measurement, the capacitor included in the circuit with the sample is charged by a voltage source to the voltage necessary for breakdown between the surface of the sample and the needle-shaped electrode. At the same time, an additional capacitor of a larger capacity is also charged. The magnitude of this charge is measured when the capacitor is discharged through the measuring resistance using an oscilloscope. As the conductivity of the sample increases, an increasing charge accumulates in the capacitor. By the magnitude of this charge, one can judge the conductivity of the test sample.

Недостатком прототипа является низкая точность измерения тока, так как измеряется протекающий при пробое заряд, а не сила тока, а также не учитывается сопротивление канала пробоя.The disadvantage of the prototype is the low accuracy of the current measurement, since the charge flowing during the breakdown is measured, not the current strength, and the resistance of the breakdown channel is not taken into account.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности определения тока (амплитуды и длительности) в канале электрического пробоя диэлектрика.The present invention solves the problem of increasing the accuracy of determining the current (amplitude and duration) in the channel of electrical breakdown of the dielectric.

Задача решается способом определения тока в канале электрического пробоя диэлектрика, включающим размещение образца диэлектрика между двумя электродами, подачу на электроды высокого постоянного напряжения U с предварительно заряженного конденсатора емкостью Cd, измерение осциллограммы импульса напряжения при пробое на включенном последовательно с электродами измерительном резисторе величиной R, в котором, согласно формуле изобретения, по осциллограмме измеряют круговую частоту ω и время затухания колебаний τ, определяют величину R0 сопротивления канала электрического пробоя диэлектрика из соотношения:The problem is solved by the method of determining the current in the channel of dielectric electrical breakdown, including placing a dielectric sample between two electrodes, applying high DC voltage U to the electrodes with a pre-charged capacitor with capacitance C d , measuring the voltage waveform during breakdown at a measurement resistor of R connected in series with the electrodes, in which, according to the claims, the circular frequency ω and the oscillation decay time τ are measured from the oscillogram, the value of R 0 resistance of the electric breakdown channel of the dielectric from the ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

где:Where:

К=1+ωτ;K = 1 + ωτ;

С - емкость электродов с образцом;C is the capacity of the electrodes with the sample;

L - индуктивность измерительной цепи;L is the inductance of the measuring circuit;

C1 - паразитная емкость, образованная проводниками, соединенными измерительным резистором R,C 1 - parasitic capacitance formed by conductors connected by a measuring resistor R,

а искомые значения амплитуды Im и длительности Δt импульса тока находят, соответственно, из соотношений: Im=U/R0, Δt=R0C.and the desired values of the amplitude I m and the duration Δt of the current pulse are found, respectively, from the relations: I m = U / R 0 , Δt = R 0 C.

Достигаемый технический результат состоит в повышении точности определения тока электрического пробоя диэлектриков.The technical result achieved is to increase the accuracy of determining the electric breakdown current of dielectrics.

Надежные экспериментальные данные о токах пробоя на данный момент отсутствуют, потому что существующие способы регистрации тока в канале пробоя несовершенны, и их использование приводит к существенным ошибкам. Поясним это с помощью Фиг. 1, на которой показана схема протекания токов при пробое диэлектрика,Reliable experimental data on the breakdown currents are currently lacking, because the existing methods for detecting current in the breakdown channel are imperfect, and their use leads to significant errors. Let us explain this with the help of FIG. 1, which shows a diagram of the flow of currents during breakdown of a dielectric,

где:Where:

1 - образец диэлектрика;1 - dielectric sample;

2 - электрод;2 - electrode;

3 - электрод;3 - electrode;

4 - конденсатор с емкостью Cd;4 - capacitor with a capacitance C d ;

5 - измерительный резистор с сопротивлением R;5 - measuring resistor with resistance R;

6 - канал пробоя с сопротивлением R0;6 - breakdown channel with resistance R 0 ;

7 - ограничительный резистор.7 - limiting resistor.

Для определения тока через образец обычно измеряется падение напряжения на известном (измерительном) резисторе 5, включенном последовательно с конденсатором, образованным образцом 1 и электродами 2 и 3.To determine the current through the sample, the voltage drop is usually measured on a known (measuring) resistor 5 connected in series with a capacitor formed by sample 1 and electrodes 2 and 3.

Авторы предлагаемого изобретения впервые выявили тот факт, что ток пробоя складывается не только из тока, замыкающегося на землю I1(t), но и из тока саморазряда конденсатора-образца I(t), который не может быть измерен непосредственно, поскольку он замыкается через сопротивление канала пробоя 6 в объеме образца. Ток саморазряда образца может в десятки раз превосходить измеряемый ток, в силу чего истинный ток пробоя практически равен току саморазряда образца диэлектрика.The authors of the invention for the first time revealed the fact that the breakdown current consists not only of the current closing to the ground I 1 (t), but also from the self-discharge current of the sample capacitor I (t), which cannot be measured directly, since it closes through breakdown channel resistance 6 in the sample volume. The self-discharge current of the sample can be tens of times higher than the measured current, due to which the true breakdown current is almost equal to the self-discharge current of the dielectric sample.

В предлагаемом способе авторам удалось по данным измерения параметров импульса напряжения пробоя на измерительном резисторе 5 (частоте колебаний со и времени их затухания τ) определить истинный ток пробоя, протекающий в недоступном для измерения контуре цепи (объем образца).In the proposed method, the authors were able to determine the true breakdown current flowing in a circuit that is inaccessible to measurement (sample volume) according to the measurement data of the parameters of the breakdown voltage pulse at the measuring resistor 5 (the oscillation frequency ω and their decay time τ).

Для пояснения способа рассмотрим эквивалентную электрическую цепь, представленную на Фиг. 2,To illustrate the method, consider the equivalent circuit shown in FIG. 2

где:Where:

4 - конденсатор с емкостью Cd;4 - capacitor with a capacitance C d ;

5 - измерительный резистор с сопротивлением R;5 - measuring resistor with resistance R;

6 - канал пробоя с сопротивлением R0;6 - breakdown channel with resistance R 0 ;

8 - конденсатор емкостью С (емкость образца 1 с электродами 2 и 3);8 - capacitor with capacitance C (capacitance of sample 1 with electrodes 2 and 3);

9 - индуктивность измерительной цепи величиной L;9 - inductance of the measuring circuit value L;

10 - конденсатор с паразитной емкостью величиной C1.10 - capacitor with stray capacitance value C 1 .

Паразитный конденсатор 10 образован проводниками, соединенными измерительным резистором 5. I2(t) - ток, протекающий через конденсатор 10.The stray capacitor 10 is formed by conductors connected by a measuring resistor 5. I 2 (t) is the current flowing through the capacitor 10.

Напряжения и токи в эквивалентной схеме связаны системой дифференциальных уравнений, характеристическое уравнение которой можно записать в виде:The voltages and currents in the equivalent circuit are connected by a system of differential equations, the characteristic equation of which can be written in the form:

s4+bs3+cs2+ds+е=0,s 4 + bs 3 + cs 2 + ds + e = 0,

где:Where:

Figure 00000002
Figure 00000002

Обозначим корни характеристического уравнения как s1, s2/ s3, s4. Тогда по теореме разложения (Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967. 779 с.) напряжение на конденсаторе 10 емкостью C1, которое по абсолютной величине равно напряжению на измерительном сопротивлении 5 величиной R, можно представить в следующем виде:We denote the roots of the characteristic equation as s 1 , s 2 / s 3 , s 4 . Then, according to the decomposition theorem (Ango A. Mathematics for electrical and radio engineers. M .: Nauka, 1967. 779 pp.), The voltage across capacitor 10 with capacity C 1 , which in absolute value is equal to the voltage across measuring resistance 5 with value R, can be represented in as follows:

Figure 00000003
Figure 00000003

Выражение для тока саморазряда можно записать так:The expression for the self-discharge current can be written as follows:

Figure 00000004
Figure 00000004

Амплитуда тока, очевидно, равна Im=U/R0. Сопротивление канала пробоя много меньше общего сопротивления цепи, которое складывается в основном из измерительного сопротивления 5 и реактанса индуктивности. Следует иметь в виду, что индуктивность отрезка прямого медного провода длиной I0=10 см и диаметром 2r=1 мм составляет приблизительно 10-7 Гн. Это значение, по-видимому, близко к минимальному значению паразитной индуктивности используемых измерительных цепей. Реактивное сопротивление такой индуктивности на частоте 100 МГц составляет ~63 Ом. Поэтому длительность тока пробоя будет определяться в основном сопротивлением канала пробоя и равна Δt=R0C.The amplitude of the current is obviously equal to I m = U / R 0 . The resistance of the breakdown channel is much less than the total resistance of the circuit, which consists mainly of measuring resistance 5 and inductance reactance. It should be borne in mind that the inductance of a piece of straight copper wire with a length of I 0 = 10 cm and a diameter of 2r = 1 mm is approximately 10 -7 GN. This value is apparently close to the minimum parasitic inductance of the measuring circuits used. The reactance of this inductance at a frequency of 100 MHz is ~ 63 Ohms. Therefore, the duration of the breakdown current will be determined mainly by the resistance of the breakdown channel and is equal to Δt = R 0 C.

На Фиг. 3 показано изменение со временем напряжения U1(t) на измерительном сопротивлении и тока I(t) при С=3 пФ, C1=10 Ф, Cd=300 пФ, R0=10 Ом, R=1600 Ом, L=0.3 мкГн, U=1000 В. Хорошо видно, что если определять ток пробоя известным способом, то, поделив максимальное значение U1(t), равное приблизительно 1000 В, на сопротивление измерительного резистора, равное 1600 Ом, получим ток амплитудой около 0,6 А, которая во много раз меньше амплитуды истинного тока I(t), равной Im=100 А. Поскольку расчет сделан для заведомо известных параметров цепи, то предлагаемый способ легко проверить по параметрам колебаний на Фиг. 3. Видно, что амплитуда колебаний напряжения U1(t) уменьшается в 2,7 раза за τ≈21 нс, период колебаний Т≈11 нс, и частота колебаний ω≈5,9·108 рад/сек. Подставив эти значения в вышеприведенную формулу (1) для сопротивления канала, получим, что R0≈10 Ом, которое и было использовано для расчета. Амплитуда тока равна Im=U/R0=1000/10=100 А. Длительность импульса тока пробоя составит Δt=R0С=10·3·10-12=0,03 нс.In FIG. Figure 3 shows the change over time of the voltage U 1 (t) at the measuring resistance and current I (t) at C = 3 pF, C 1 = 10 F, C d = 300 pF, R 0 = 10 Ohm, R = 1600 Ohm, L = 0.3 μH, U = 1000 V. It is clearly seen that if the breakdown current is determined in a known manner, then dividing the maximum value of U 1 (t), equal to approximately 1000 V, by the resistance of the measuring resistor, equal to 1600 Ohms, we obtain a current with an amplitude of about 0 , 6 A, which is many times smaller than the amplitude of the true current I (t), which is equal to I m = 100 A. Since the calculation was made for the known parameters of the circuit, the proposed method can be easily checked by vibration parameters in FIG. 3. It can be seen that the amplitude of the voltage fluctuations U 1 (t) decreases 2.7 times in τ≈21 ns, the period of oscillations T≈11 ns, and the oscillation frequency ω≈5.9 · 10 8 rad / s. Substituting these values in the above formula (1) for the channel resistance, we obtain that R 0 ≈10 Ohm, which was used for the calculation. The amplitude of the current is I m = U / R 0 = 1000/10 = 100 A. The duration of the breakdown current pulse is Δt = R 0 C = 10 · 3 · 10 -12 = 0.03 ns.

Точность определения тока зависит от точности определения частоты и времени затухания колебаний, а также точности измерения параметров измерительной установки. Наименьшая точность (около 10%) характеризует измерение времени затухания колебаний. Другие параметры измеряются с точностью не хуже 1%. По сравнению с известным способом измерения тока пробоя с низкой точностью порядка тысяч процентов (0,6 А вместо 100 А) использование предлагаемого способа существенно повышает точность измерений.The accuracy of determining the current depends on the accuracy of determining the frequency and decay time of the oscillations, as well as the accuracy of measuring the parameters of the measuring installation. The least accuracy (about 10%) characterizes the measurement of the decay time of the oscillations. Other parameters are measured with an accuracy of at least 1%. Compared with the known method of measuring breakdown current with low accuracy of the order of thousands of percent (0.6 A instead of 100 A), the use of the proposed method significantly increases the accuracy of the measurements.

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

На Фиг. 1 схема протекания токов при пробое диэлектрика;In FIG. 1 diagram of the flow of currents during breakdown of a dielectric;

На Фиг. 2 эквивалентная электрическая схема измерительной цепи;In FIG. 2 equivalent electrical circuit of the measuring circuit;

На Фиг. 3 графики напряжения и тока в схеме Фиг. 2;In FIG. 3 graphs of voltage and current in the circuit of FIG. 2;

На Фиг. 4 схема экспериментальной установки;In FIG. 4 scheme of the experimental setup;

На Фиг. 5 осциллограмма, полученная с помощью установки на Фиг. 4.In FIG. 5, the waveform obtained by the installation of FIG. four.

ПримерExample

Осуществление изобретения подтверждено посредством установки, изображенной на Фиг. 4, где:The implementation of the invention is confirmed by the apparatus shown in FIG. 4, where:

1 - образец диэлектрика;1 - dielectric sample;

2 - шаровой электрод;2 - ball electrode;

3 - плоский электрод;3 - flat electrode;

4 - конденсатор;4 - capacitor;

5 - измерительный резистор;5 - measuring resistor;

7 - ограничительный резистор;7 - limiting resistor;

11 - медный провод разряда цепи;11 - copper wire discharge circuit;

12 - тефлоновые вставки;12 - teflon inserts;

13 - высокочастотный высоковольтный вывод;13 - high-frequency high-voltage output;

14 - медный экран;14 - copper screen;

15 - гетинаксовая подложка.15 - getinaksovy substrate.

Для иллюстрации рассмотрим пример определения тока пробоя пленки полиэтилентерефталата (ПЭТФ) на основании экспериментальных данных, полученных с использованием электродов шар-плоскость (диаметр шара 5 мм). Толщина пленки составляла 2,5 мкм. Эквивалентная схема представлена на Фиг. 2. Параметры (активное и реактивное сопротивления) установки были измерены с помощью анализатора антенн АА-1400. Численные значения элементов схемы были использованы выше, при расчетах напряжения и тока, показанных на Фиг. 2, кроме неизвестного сопротивления канала пробоя. Значение величины измерительного резистора 5 выбрано R=1600 Ом для лучшего согласования с измерительным делителем широкополосного осциллографа. В экспериментах использовался широкополосный запоминающий осциллограф ADS-2332 (интервал дискретизации 1 нс), с высоковольтным делителем TTHV250 с граничной частотой 300 МГц.To illustrate, consider an example of determining the breakdown current of a film of polyethylene terephthalate (PET) based on experimental data obtained using ball-plane electrodes (ball diameter 5 mm). The film thickness was 2.5 μm. An equivalent circuit is shown in FIG. 2. The parameters (active and reactance) of the installation were measured using an AA-1400 antenna analyzer. The numerical values of the circuit elements were used above when calculating the voltage and current shown in FIG. 2, except for the unknown resistance of the breakdown channel. The value of the measuring resistor 5 is selected R = 1600 Ohms for better coordination with the measuring divider of the broadband oscilloscope. The experiments used the ADS-2332 broadband storage oscilloscope (1 ns sampling interval), with a TTHV250 high-voltage divider with a cutoff frequency of 300 MHz.

На Фиг. 5 представлена зарегистрированная на опыте осциллограмма сигнала на измерительном резисторе 5 при пробое пленки ПЭТФ в режиме подъема напряжения с постоянной скоростью. Пробой произошел при U=1200 В. Путем использования быстрого преобразования Фурье найдено, что наибольший спектральный пик соответствует частоте 106.8 МГц (ω=2π·106,8·106). Амплитуда колебаний уменьшается в 2,7 раза примерно за время τ≈25 нс. Подставив найденные значения ω и τ в формулу (1) для сопротивления канала пробоя, получим, что R0≈6.5 Ом. Отсюда находим, что амплитуда импульса тока пробоя составляет Im=1200/6.5≈185 А. Поскольку импульс тока саморазряда имеет приблизительно треугольную форму (см. Фиг. 3), то эффективная величина тока составит около 90 А. Длительность импульса тока пробоя равна Δt=R0С=6,5·3·10-12≈0,02 нс.In FIG. Figure 5 shows the experimentally recorded waveform of the signal at the measuring resistor 5 during the breakdown of the PET film in the mode of voltage rise at a constant speed. The breakdown occurred at U = 1200 V. By using the fast Fourier transform, it was found that the largest spectral peak corresponds to a frequency of 106.8 MHz (ω = 2π · 106.8 · 10 6 ). The amplitude of the oscillations decreases 2.7 times in about τ≈25 ns. Substituting the found values of ω and τ into formula (1) for the resistance of the breakdown channel, we obtain that R 0 ≈6.5 Ω. From this we find that the amplitude of the breakdown current pulse is I m = 1200 / 6.5≈185 A. Since the self-discharge current pulse has an approximately triangular shape (see Fig. 3), the effective current value will be about 90 A. The duration of the breakdown current pulse is Δt = R 0 C = 6.5 · 3 · 10 -12 ≈0.02 ns.

Современные цифровые осциллографы имеют встроенную функцию преобразования Фурье и маркеры для измерения изменения импульса во времени. Однако можно использовать осциллографы и без этой функции, и обработать снятую осциллограмму с помощью соответствующей компьютерной программы, например, MathCAD. Представленный пример подтверждает осуществимость предлагаемого изобретения.Modern digital oscilloscopes have a built-in Fourier transform and markers for measuring the change in momentum over time. However, you can use oscilloscopes without this function, and process the captured waveform using the appropriate computer program, for example, MathCAD. The presented example confirms the feasibility of the invention.

Таким образом, по сравнению с известным способом измерения тока пробоя с низкой точностью использование предлагаемого способа многократно повышает точность измерений. Осуществимость предлагаемого изобретения подтверждена как теоретически, так и путем постановки специальных измерений. Показано, что вместо регистрируемых известным способом токов, составляющих доли ампера, истинные токи пробоя могут превышать сотню ампер и приводят к разрушению диэлектрика. Использование предлагаемого способа позволит получить новые сведения об условиях разрушения диэлектриков в электрическом поле и разработать методы повышения их электрической прочности.Thus, in comparison with the known method of measuring the breakdown current with low accuracy, the use of the proposed method greatly increases the accuracy of the measurements. The feasibility of the invention is confirmed both theoretically and by staging special measurements. It is shown that instead of the currents recorded in a known manner, which comprise fractions of an ampere, the true breakdown currents can exceed a hundred amperes and lead to the destruction of the dielectric. Using the proposed method will allow to obtain new information about the conditions for the destruction of dielectrics in an electric field and to develop methods to increase their electric strength.

Claims (1)

Способ определения тока в канале электрического пробоя диэлектрика, включающий размещение образца диэлектрика между двумя электродами, подачу на электроды высокого постоянного напряжения U с предварительно заряженного конденсатора емкостью Cd, измерение осциллограммы импульса напряжения при пробое на включенном последовательно с электродами измерительном резисторе величиной R, отличающийся тем, что по осциллограмме измеряют круговую частоту ω и время затухания колебаний τ, определяют величину R0 сопротивления канала электрического пробоя диэлектрика из соотношения
Figure 00000005

где
K=1+ωτ;
C - емкость измерительной ячейки с образцом;
L - индуктивность цепи;
C1 - паразитная емкость, образованная проводниками, соединенными резистором R,
а искомые значения амплитуды Im и длительности тока Δt находят, соответственно, из соотношений: Im=U/R0, Δt=R0C.
A method for determining the current in the channel of dielectric electrical breakdown, including placing a dielectric sample between two electrodes, supplying high DC voltage U to the electrodes from a pre-charged capacitor with capacitance C d , measuring a voltage pulse waveform during breakdown of a measuring resistor R in series with the electrodes, characterized in that is measured from the oscillogram the circular frequency ω and the decay time τ oscillations determine the value of resistance R 0 channel elektricheskog the ratio of the dielectric breakdown
Figure 00000005

Where
K = 1 + ωτ;
C is the capacity of the measuring cell with the sample;
L is the inductance of the circuit;
C 1 - parasitic capacitance formed by conductors connected by a resistor R,
and the sought values of the amplitude I m and the current duration Δt are found, respectively, from the relations: I m = U / R 0 , Δt = R 0 C.
RU2015117089/28A 2015-05-05 2015-05-05 Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material RU2589509C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015117089/28A RU2589509C1 (en) 2015-05-05 2015-05-05 Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015117089/28A RU2589509C1 (en) 2015-05-05 2015-05-05 Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2589509C1 true RU2589509C1 (en) 2016-07-10

Family

ID=56371210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015117089/28A RU2589509C1 (en) 2015-05-05 2015-05-05 Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2589509C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501610A (en) * 2019-08-26 2019-11-26 国网山东省电力公司莱芜供电公司 A kind of grid-connected oscillation characteristics real time extracting method of multi-inverter and device
RU2732797C1 (en) * 2020-02-21 2020-09-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Method of calibration and verification of winding wires insulation defects measuring instruments

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2108592C1 (en) * 1996-01-18 1998-04-10 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Method of determination of current which forms high-voltage breakdown channel in crystal dielectrics by means of dependence of breakdown channel formation speed from voltage
JP2007183206A (en) * 2006-01-10 2007-07-19 Denso Corp Current detection circuit
RU2383893C1 (en) * 2008-07-14 2010-03-10 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method and device for detection of electric strength of insulating liquid

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2108592C1 (en) * 1996-01-18 1998-04-10 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Method of determination of current which forms high-voltage breakdown channel in crystal dielectrics by means of dependence of breakdown channel formation speed from voltage
JP2007183206A (en) * 2006-01-10 2007-07-19 Denso Corp Current detection circuit
RU2383893C1 (en) * 2008-07-14 2010-03-10 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method and device for detection of electric strength of insulating liquid

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501610A (en) * 2019-08-26 2019-11-26 国网山东省电力公司莱芜供电公司 A kind of grid-connected oscillation characteristics real time extracting method of multi-inverter and device
CN110501610B (en) * 2019-08-26 2021-10-01 国网山东省电力公司莱芜供电公司 Multi-inverter grid-connected oscillation feature real-time extraction method and device
RU2732797C1 (en) * 2020-02-21 2020-09-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Method of calibration and verification of winding wires insulation defects measuring instruments

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lesaint et al. Investigations on transient currents associated with streamer propagation in dielectric liquids
Nyamupangedengu et al. Partial discharge spectral response to variations in the supply voltage frequency
RU2589509C1 (en) Method of determining current in channel of electric breakdown of dielectric material
Benjamin High‐impedance capacitive divider probe for potential measurements in plasmas
Romano et al. A new technique for partial discharges measurement under DC periodic stress
CN104515692A (en) Rapid evaluation system and rapid evaluation method for electrostatic coalescence
Dittrich et al. Transient surface photovoltage measurement over 12 orders of magnitude in time
Okamoto et al. Partial discharge current measurements with small discharge gaps over polyimide film
CN103292680A (en) Novel electric nondestructive anchor rod length measuring method and device
Xiang et al. Inception and breakdown voltages of insulating liquids under DC stress
Yoshikawa et al. Basic study on partial discharge detection with high sensitivity using ferrite core
CN110286271A (en) A kind of measuring system, method and the analysis method of dielectric surface charge properties
Sima et al. Electric field and space charge distribution measurement in transformer oil struck by impulsive high voltage
US2756388A (en) Method and apparatus for measuring charges on liquids
Balzovsky et al. Features of recording the time profile of single picosecond pulses in the real-time mode
CN104833859B (en) A kind of plane plate specimen distribution of space charge pressure wave method measurement apparatus
US4438395A (en) Current transformer high voltage probe utilizing copper sulfate water resistor
CN203249588U (en) Novel detector for electrical nondestructive test of length of anchor pole
Atiwi et al. Analysis and performance of high voltage DC power supplies used for low current measurements on dielectric materials
Lu et al. Observation and analysis of the sparkover around grounding electrode under impulse current
Bauer et al. Characterization of Pre-breakdown Discharge Mechanisms in Insulating Oil by Electrical Measurement at Lightning Impulse Voltage Stress
Meng et al. The one-dimensional potential measurement system for the carbonization trace detection in oil-impregnated pressboard
Hanai et al. Technique for discriminating the type of PD in SF 6 gas using the UHF method and the PD current with a metallic particle
Elzowawi et al. Visualization of electric discharge in porous materials
Yinfei et al. Experimental investigation on the influence of AC voltage on positive corona current pulses from DC conductor parallel with AC conductor