快速空间电荷测量用高压高频脉冲源的研究

万佳东， 吴建东， 黄若栋， 陈亚丁， 尹毅

(上海交通大学 电气工程系，上海 200240上海交通大学 电气工程系，上海 200240)



快速空间电荷测量用高压高频脉冲源的研究

万佳东， 吴建东， 黄若栋， 陈亚丁， 尹毅

(上海交通大学 电气工程系，上海 200240上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

采用电声脉冲法测量空间电荷时需要对试样施加脉冲激励，使试样中的空间电荷发生微弱位移产生机械波。为了获得足够高的信噪比，必须连续采集多个信号进行平均处理，对于多数测试系统平均次数至少需要40次。测量一次所需时间为脉冲频率和平均次数的乘积，因此脉冲源的频率决定了测量的速度。基于高压固体开关设计了高压高频脉冲源，可产生半峰宽5 ns至380 ns的窄脉冲，兼具连续脉冲模式和脉冲簇模式，脉冲重复频率可达3 kHz，在脉冲簇模式下脉冲间隔最小为1 μs，输出脉冲幅值最大为2.5 kV。经设备校验可知脉冲源可有效提高空间电荷测试速度，并适用于交流甚至任意波形下的空间电荷测试。

电声脉冲法； 空间电荷； 固体开关； 高频高压脉冲源； 窄脉冲； 脉冲簇

0 引 言

近年来，聚合物电介质材料因具有良好的电气性能、化学稳定性和机械特性等，常常用于电气设备的绝缘。然而在高压运行工况中，聚合物材料容易积聚空间电荷，当空间电荷积聚量达到一定程度时，将使材料内部的电场发生畸变、集中加速材料老化，甚至绝缘击穿，威胁电气设备和系统的安全运行[1-2]。因此聚合物材料中的空间电荷检测具有很大的实际意义。

空间电荷检测技术经过近30年的发展，目前主要有压力波扩展法(Pulsed Wave Propagation，简称PWP)、激光调制压力波法(Laser Induced Pressure Pulse，简称LIPP)、电声脉冲法(Pulsed electro-acoustic,简称PEA)等，其中PEA法由T. Takada教授在1983年提出，目前被广泛应用于聚合物空间电荷测量[3-4]。

在使用PEA法测量空间电荷时，需要对试样同时施加高压电场和脉冲电场。每对试样施加一个脉冲激励将得到一个对应的空间电荷信号。单个空间电荷信号的信噪比较低，必须对多个空间电荷信号进行平均处理。对于一般的测试系统，至少进行40次的平均[5]。传统的脉冲源基于水银开关产生窄脉冲，受水银开关物理结构的限制，输出的脉冲最大重复频率仅为数百赫兹，需要采集数秒甚至数十秒内获得的空间电荷信号进行平均得到高信噪比的信号，因此很难测量快速变化的空间电荷。

为克服上述不足，采用MOSFET高压固体开关设计了高压高频脉冲源，该脉冲源能很好的适应电声脉冲法的快速空间电荷测量。

1 空间电荷测试系统概述

PEA法空间电荷测试系统的基本原理如图1所示，绝缘试样置于两个铝电极之间，高压电源通过限流电阻R对试样施加测试所需的高压电场，脉冲源输出半峰宽为纳秒级的脉冲。试样中的空间电荷在脉冲电场下受到库仑力的作用发生轻微位移，产生机械声波在试样中传播。下电极处的PVDF压电传感器接收声波并将其转换为电信号，经过前置放大器放大后输入示波器，保存数据后存入计算机。通过检测到的声波信号强度和传播到达时间判定空间电荷的电荷量和位置[6]。

图1 PEA法空间电荷测量原理图

2 脉冲源原理

脉冲源是PEA法空间电荷测量系统中的重要组成部分，脉冲的半峰宽和传感器厚度共同决定了系统的分辨率，脉冲重复频率决定了系统测量所需的时间[7]。

纳秒级脉冲的形成技术主要有三种：(1) 微分电路；(2) 峰化电路；(3) 单传输线形成窄脉冲。

图2 水银继电器结构图

空间电荷测量用的脉冲源一般利用单传输线产生窄脉冲。单传输线也称之为脉冲形成线，可等效为数量众多的小电容和电感组合后的电路。选用合适的开关和负载，可以产生纳秒级的脉冲[8]。

传统的脉冲源采用水银继电器，其结构如图2所示。受限于水银继电器的机械特性，其最大关断频率在100 Hz左右。无法适用快速变化的空间电荷测量或是任意波形下的空间电测量，故需选用其他类型的开关构建高频脉冲源。

3 高频高压脉冲源的硬件设计

3.1 快速高压固体开关

图3 HTS 50-08-UF高压固体开关

本文选用德国BEHLKE公司的HTS 50-08-UF快速高压固体开关搭建脉冲源,如图3所示。其由大量MOSFET管串并联构成，MOSFET管具有低阻抗的特点，独立的MOSFET单元能由驱动电路同步控制。该开关的最小关断时间可达1 μs。在开关的控制端需要输入一个TTL控制信号和5 V的供电电压。

3.2 结构组成

脉冲源主要由直流高压源、固体开关、控制电路、同轴电缆组成。如图4所示，在低压控制端，5 V直流电平用于开关供电。TTL控制信号输入管脚1，控制开关的关断。电容C2和C3用于在脉冲簇模式下供能。在高压端，高压电源经过RC网络接入固体开关HV-IN端，同轴电缆起脉冲形成线的作用，终端并联一匹配电阻，电磁波在形成线中经过折射和反射形成纳秒级窄脉冲。

图4 脉冲源结构图

3.3 开关控制信号

开关控制信号可由555定时器搭建定时器实现，或者直接使用函数发生器。由于在脉冲簇模式下，开关控制信号也需要是脉冲簇形式，555定时器不易实现脉冲簇形式的输出，故采用Tektronix公司的AFG3000系列任意函数发生器。该函数发生器能输出连续的方波，也可输出脉冲簇形式的TTL控制信号。

3.4 供电电路

开关电源可以提供稳定的电压输出，同时实现电气隔离。本文选用单端反激式开关电源为固体开关提供供电，其原理图如图5所示。这种开关电源成本低，输出功率在100 W以下，可以同时输出不同的电压，具有较好的电压调整率适用于相对固定的负载[9]。

图5 开关电源原理图

3.5 散热

当脉冲源的负载为阻性且输出脉冲的重复频率在100 Hz以内，损耗的功率可由式(1) 计算:

Pd=(Rstat·IL2·t)/T

(1)

其中Rstat为脉冲源内阻，近似于RL，IL为负载电流，t为脉冲周期，T为脉冲宽度。

当脉冲源的负载为容性且输出脉冲的重复频率高于100 Hz，损耗的功率可由式(2)计算:

Pd=(V2·f·CL)/2

(2)

其中V为直流电压幅值，f为开关动作频率，CL为负载容值。

脉冲源的损耗功率可达数瓦甚至更高，发热较为严重。为保证脉冲源正常运行，需要对脉冲源进行冷却，在脉冲源中设计有散热片和风扇帮助散热。

图6 耦合在试样上的理想脉冲仿真波形

图7 考虑离散电感电容后试样上的脉冲仿真波形

3.6 杂散电容、电感的影响

由于脉冲源输出的脉冲上升沿、下降沿均为纳秒级，系统中的杂散电容和电感将对其产生很大的影响。本文使用MATLAB对杂散电容、电感进行了仿真分析，图6为理想脉冲源输出后耦合在空间电荷测试试样上的脉冲波形，图7为考虑到杂散电容、电感的影响后的脉冲波形，受杂散电容、电感影响，脉冲波形幅值明显下降，半峰宽大幅上升，这会对空间电荷测量的准确性和分辨率产生很大的影响。为了减少杂散电容、电感的影响，应选用无感器件，在脉冲源机箱中合理布局，减少杂散电容的影响。

4 脉冲源测试

4.1 连续模式

图8 单个脉冲波形图

图9 脉冲簇波形图

在连续模式下脉冲源可输出重复频率0～3 kHz的窄脉冲，脉冲最大幅值可达2.5 kV。通过调节RC网络参数可以改变输出脉冲半峰宽，其范围在5 ns～380 ns之间，根据需要测量的试样厚度选择脉冲半峰宽，达到最好的测量效果。半峰宽为10 ns时的单个脉冲波形如图8所示。

4.2 脉冲簇模式

如图4所示，固体开关中接入电容C3和C4后可使用脉冲簇模式。在该模式下脉冲源输出脉冲簇，脉冲簇的频率为0～3 kHz，每个脉冲簇中包含2～100个脉冲，脉冲最小时间间隔为1 μs。图9为测得的脉冲簇图像，其中包含30个脉冲，每个脉冲的时间间隔为1 μs，脉冲幅值约为620 V，脉冲输出稳定。

5 空间电荷测量应用

图10 空间电荷测量信号

本文研制的脉冲源能够很好地应用于空间电荷测量，图10为施加单个脉冲后PEA测试系统得到的空间电荷测量信号。以选取100个波形进行平均为例，脉冲源在连续模式下输出重复频率3 kHz的脉冲，测量约需33 ms，在脉冲簇模式下最少仅需100 μs，而传统的基于水银开关的脉冲源至少需要1 s。借助该脉冲源，可有效地测量变化速度在毫秒级甚至微秒级的空间电荷分布，这使得交流甚至任意波形下的PEA法空间电荷测量成为可能。

6 结束语

本文基于快速高压固体开关，设计研制了一种高频高压脉冲源。经过调试可知脉冲源在连续模式下可输出重复频率最高为3 kHz的窄脉冲，脉冲宽度在5 ns～380 ns间可调，脉冲幅值最大为2.5 kV；在脉冲簇模式下可输出0～3 kHz的脉冲簇，脉冲簇包含2～100个脉冲，脉冲最小时间间隔为1 μs。该脉冲源适用于PEA法空间电荷测量，可以有效的减少测量所需时间，为快速变化的空间电荷测量提供了硬件基础。

[1] SESSLER G M．Charge distribution and transport in polymers[J]．IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，1997，4(5)：614-628．

[2] FOTHERGILL J C．Space charge in dielectrics: old theories and applications[C]．Eighth International Conference on Dielectric Materials，Measurements and Applications，Edinburgh，Scotland，2000．

[3] 周远翔，王宁华，王云杉，等．固体电介质空间电荷研究进展[J]．电工技术学报, 2008, 23(9): 16-25.

[4] 吴建东，尹毅，兰莉，等．纳米复合介质中空间电荷行为的影响[J]．中国电机工程学报，2012，32(28): 177-183．

[5] TAKADA T．Acoustic and optical methods for measuring electric charge distributions in dielectrics[J]．IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation，1999，6(5)：519-547．

[6] 蔡川. 高压直流塑料电缆空间电荷测试和分析技术研究[D]．上海：上海交通大学，2009.

[7] 周凯，吴广宁，刘君，等．基于电声脉冲法的空间电荷直接测量仪的研制[J]．仪器仪表学报, 2008, 29(10): 2110-2115.

[8] 贝尔. 实用脉冲电路[M].黑龙江:黑龙江科学技术出版社, 1987.

[9] 雷进伟. 电声脉冲法测试系统用纳秒脉冲源的研制[D]．黑龙江：哈尔滨理工大学，2013.

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

国家自然科学基金资助项目(51327002)，中国博士后科学基金资助项目(2015M570364)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.014

TM85

A

1000-3886(2016)03-0041-03

万佳东(1990-)，男，浙江人,硕士生，专业：电气工程，主要从事交流空间电荷测试技术的研究。

定稿日期: 2015-12-28