真空絕緣子表面電荷的積聚會(huì)改變電場分布，影響絕緣子的閃絡(luò)電壓。為了量化研究表面電荷積聚對表面電場的影響程度，本文采用靜電探頭法測量了真空中納秒脈沖作用下多種陶瓷絕緣子表面電荷的二維分布，并結(jié)合掃描電子顯微鏡獲得的絕緣子表面微觀形貌特征分析了不同試品表面電荷積聚存在差異的原因。提出了一種由表面電荷測量結(jié)果求得表面電荷引起的電場的計(jì)算方法，與軟件仿真得到的脈沖電壓產(chǎn)生的電場相結(jié)合，量化了表面電荷積聚對表面電場的影響程度。研究結(jié)果顯示，表面電荷對絕緣子表面電場有增強(qiáng)或削弱作用，大部分情況會(huì)增強(qiáng)電場，最大增強(qiáng)程度可達(dá)近2 倍。閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)表面電荷的積聚會(huì)降低絕緣子的閃絡(luò)電壓。因此要盡量選擇表面電荷積聚少的真空絕緣材料，以提高絕緣強(qiáng)度。

　　真空絕緣子在航空航天、脈沖功率技術(shù)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。加入絕緣子后的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)小于相同大小的純真空間隙或固體絕緣子本身的絕緣強(qiáng)度。據(jù)報(bào)道，美國斯坦福大學(xué)線性加速器中心的速調(diào)管、日本高能物理國家實(shí)驗(yàn)室中的加速器及美國能源部CEBAF 的加速器都曾發(fā)生過由于真空中絕緣子沿面閃絡(luò)現(xiàn)象引起的問題。真空絕緣子的表面電荷積聚會(huì)改變外加電壓作用時(shí)的電場分布，成為發(fā)生沿面閃絡(luò)的隱患。很多研究者對真空絕緣子的表面電荷進(jìn)行了測量研究，得到了電荷分布情況。但表面電荷積聚對絕緣子表面電場的影響僅停留在定性的一般概念上，其對表面電場的改變趨勢和影響程度還需深入量化研究。

　　本文采用靜電探頭法，測量得到納秒脈沖作用下多種絕緣子表面電荷的分布，并進(jìn)一步計(jì)算了積聚電荷引起的電場分布，得到了其對表面電場分布的影響。研究結(jié)果表明，表面電荷積聚引起的電場對表面電場有增強(qiáng)或削弱作用，大部分表現(xiàn)為增強(qiáng)作用，最多可使表面電場增強(qiáng)近2 倍。閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)有表面電荷積聚的絕緣子閃絡(luò)電壓有所降低。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認(rèn)為應(yīng)選用表面電荷積聚較少的材料制作真空絕緣子。

　　1、試驗(yàn)平臺(tái)

　　1.1、試驗(yàn)電源

　　本研究設(shè)計(jì)搭建了納秒脈沖電壓發(fā)生器作為試驗(yàn)電源，輸出電壓脈寬為100 ns 左右，上升沿約10ns。輸出波形如圖1 所示。

圖1 納秒脈沖電壓發(fā)生器輸出波形

　　1.2、試驗(yàn)腔體

　　試驗(yàn)腔體為內(nèi)徑200 mm，高200 mm 的不銹鋼腔體，極限真空度小于1×10^-4 Pa。真空腔的中部圓周線上設(shè)置了9 個(gè)法蘭接口，分別為：高壓引線套管接口1 個(gè)、接地及測量引線接口3 個(gè)、樣品二維操作架接口1 個(gè)、靜電探頭支座接口1 個(gè)、觀察窗接口2 個(gè)、真空規(guī)管接口1 個(gè)，腔體上法蘭蓋帶觀察窗，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)腔體設(shè)計(jì)圖

　　1.3、試品和電極

　　為了便于觀察特定區(qū)域的電場分布，采用指形電極和圓片試品系統(tǒng)形成稍不均勻電場，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在聚四氟乙烯托架上設(shè)計(jì)淺槽和螺釘將兩個(gè)電極固定在絕緣托架上，托架中部挖出試品放置圓槽，尺寸為直徑19 mm，深度6 mm，下部配一大螺栓，將試樣圓片向上輕頂，使其與兩個(gè)電極充分接觸。

圖3 電極和試品結(jié)構(gòu)圖

　　試驗(yàn)中所采用的試品是直徑19 mm，厚度約5mm 的氧化鋁陶瓷圓片。試品分為兩種，燒制條件不同，如表1所示。

表1 試品燒制條件

　　2、結(jié)論

　　(1) 表面電荷的積聚對表面電場有增強(qiáng)或削弱作用，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認(rèn)為總體表現(xiàn)為使表面電場增強(qiáng)。

　　(2) 本研究中表面電荷使表面電場總體增強(qiáng)15% ～40%，極值可達(dá)98%。因此表面電荷的積聚引起的電場對絕緣表面的電場分布有不可忽視的影響。

　　(3) 表面電荷的積聚改變了表面電場，試驗(yàn)證實(shí)有表面電荷積聚的絕緣子的閃絡(luò)電壓有所降低。

　　(4) 由于表面電荷的積聚會(huì)顯著改變表面電場分布，降低絕緣子的絕緣強(qiáng)度，因此應(yīng)選用表面不易積聚電荷的材料制作真空絕緣子。