航天高压机电设备低气压绝缘技术研究

徐志书 何雨昂 桑庆宏 张华 郭昊宇

摘要

因在距离地面30-100Km的亚轨道空间领域空气分子自由行程距离变短，易引起气体分子电离，继而引发放电，使得运载火箭设备高压机电设备在低气压环境下绝缘能力发生下降，本文从亚轨道空间易放电敏感区域辨识、低气压放电环境下高压机电设备绝缘电气间隙与加强绝缘方法进行研究，对航天高压机电设备的设计与工程应用具有重要参考意义。

【关键词】大功率机电伺服 高可靠驱动技术应用研究

1 引言

随着磁性材料技术、电力电子技术、数字控制技术的发展，高压机电设备被越来越多的应用在航天领域。因距离30～100Km临近空间轨道区域空气分子自由行程距离下降，容易引发放电，导致高压设备绝缘性能下降。本文从亚轨道空间易放电敏感区域辨识、低气压放电环境下高压机电设备绝缘电气间隙与加强绝缘方法进行研究，对航天高压机电设备的设计与工程应用具有重要参考意义。

2 亚轨道空间易放电敏感区域辨识

根据低气压放电表述，低气压放电指在1.3Pa～1000Pa的气压范围内，残留气体中的自由电子因微波功率激发获得能量撞击气体分子，引起气体分子电离，继而引发放电的现象，在空气介质中最低放电的气压值在60Pa～133Pa附近。

经查阅相关数据，分析得到空间高度与大气压强关系。

从图1可以看出，低气压放电的空间区域为距离地面高度为30～80km，其中在空间高度为45km～55km放电的气压值最低。

3 低气压放电环境下高压机电设备绝缘电气间隙

从两个电级间电场的均匀性考虑，高压大功率机电伺服设备电气间隙分为整机级与印制板级两方面考虑。整机级电气间隙在设计之初应采用电极端小区率设计保证电极之间电场的均匀性：

均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压值的关系由帕邢定律来表示。帕邢定律计算公式为：

U_d=B×P×d/ln[A×P×d/in（1+1/γ）]（1）

式中：

U_d——低气压条件下的耐压值，单位为V;

B——系数，在空气中B=2.744V/（cm.Pa）;

P——大氣压，单位为Pa;

d——导线间距，单位为cm;

A——系数，在空气中A=0.110V/（cm.Pa）

γ——系数，在空气中为0.025

根据公式（I），对于确定的电压U_d，可以计算出不同大气压P下最小电气间隙d。帕邢定律适用范围需要满足以下2点：

（1）两个电极下电场为均匀电场;

（2）当pd<133pa.mm无法适用;对于pd<133pa情况下的电气间隙，可参照低气压条件下耐电压、大气压与电气间隙部分补充数据曲线如图2所示。

4 低气压放电环境下高压机电设备加强绝缘方法研究

结合航天电气设备在亚轨道内飞行时存在电气设备内气压变低导致设备电气绝缘性能下降的特点，从以下两个方面进行加强绝缘研究：

（1）增强机电设备的密封性，保证运载火箭飞行于亚轨道时，机电设备内部气压不致迅速随外界环节降低，导致设备绝缘性能下降。

（2）针对功率电部分，辨识易放电的部件，采用加强绝缘措施，将强电部件与空气隔绝，避免低气压放电现象的发生。由于航天用RTV-GD414具有极强的绝缘强度（不小于18Mv/mm），且在低气压环境下绝缘性能基本不变，强电部件采用GD414密封后与空气隔绝，进一步避免了低气压放电现象的发生。

5 总结

本文分别从亚轨道空间易放电敏感区域辨识、低气压放电环境下高压机电设备绝缘电气间隙、低气压放电环境下高压机电设备加强绝缘方法进行了研究，对于航天机电设备在亚轨道空间领域的工程应用具有重要参考意义。

参考文献

[1]陈凤贵，陈光明，刘克华.临近空间及其影响分析[J].装备环境工程，2013，10（04）：71-75.

[2]赵斌，郭赞洪，唐其环，刘聪.浅析低气压对装备及元器件的影响，电气工程与自动化，2016，13（05）：180-183.