Способ определения тока в канале электрического пробоя диэлектрика

Изобретение относится к области физики электрического пробоя и может быть использовано для определения амплитуды и длительности импульса тока электрического пробоя в диэлектриках. Технический результат: повышение точности определения тока в канале электрического пробоя диэлектриков. Сущность: подают на электроды с размещенным между ними образцом диэлектрика высокое постоянное напряжение U от предварительно заряженного конденсатора емкостью C_d. Измеряют по осциллограмме импульса напряжения при пробое на включенном последовательно с электродами измерительном резисторе R круговую частоту ω и времени затухания колебаний τ. Определяют сопротивление канала R₀ расчетным путем, а искомые значения амплитуды и длительности тока находят, соответственно, по формулам I_m=U/R₀, Δt=R₀C. 5 ил.

 

Изобретение относится к области физики электрического пробоя и может быть использовано для определения амплитуды и длительности импульса тока электрического пробоя в диэлектриках.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности определения тока (амплитуды и длительности) в канале электрического пробоя диэлектрика.

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 C_d, 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:

где:

К=1+ωτ;

С - емкость электродов с образцом;

L - индуктивность измерительной цепи;

C₁ - паразитная емкость, образованная проводниками, соединенными измерительным резистором R,

а искомые значения амплитуды I_m и длительности Δt импульса тока находят, соответственно, из соотношений: I_m=U/R₀, Δt=R₀C.

Достигаемый технический результат состоит в повышении точности определения тока электрического пробоя диэлектриков.

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,

где:

1 - образец диэлектрика;

2 - электрод;

3 - электрод;

4 - конденсатор с емкостью C_d;

5 - измерительный резистор с сопротивлением R;

6 - канал пробоя с сопротивлением R₀;

7 - ограничительный резистор.

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.

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.

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).

Для пояснения способа рассмотрим эквивалентную электрическую цепь, представленную на Фиг. 2,

где:

4 - конденсатор с емкостью C_d;

5 - измерительный резистор с сопротивлением R;

6 - канал пробоя с сопротивлением R₀;

8 - конденсатор емкостью С (емкость образца 1 с электродами 2 и 3);

9 - индуктивность измерительной цепи величиной L;

10 - конденсатор с паразитной емкостью величиной C₁.

Паразитный конденсатор 10 образован проводниками, соединенными измерительным резистором 5. I₂(t) - ток, протекающий через конденсатор 10.

Напряжения и токи в эквивалентной схеме связаны системой дифференциальных уравнений, характеристическое уравнение которой можно записать в виде:

s⁴+bs³+cs²+ds+е=0,

где:

Обозначим корни характеристического уравнения как s₁, s_2/ 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:

Выражение для тока саморазряда можно записать так:

Амплитуда тока, очевидно, равна I_m=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.

На Фиг. 3 показано изменение со временем напряжения U₁(t) на измерительном сопротивлении и тока I(t) при С=3 пФ, C₁=10 Ф, C_d=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 I_m=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 I_m=U/R₀=1000/10=100 А. Длительность импульса тока пробоя составит Δt=R₀С=10·3·10^-12=0,03 нс.

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.

Изобретение поясняется чертежами:

На Фиг. 1 схема протекания токов при пробое диэлектрика;

На Фиг. 2 эквивалентная электрическая схема измерительной цепи;

На Фиг. 3 графики напряжения и тока в схеме Фиг. 2;

На Фиг. 4 схема экспериментальной установки;

На Фиг. 5 осциллограмма, полученная с помощью установки на Фиг. 4.

Пример

Осуществление изобретения подтверждено посредством установки, изображенной на Фиг. 4, где:

1 - образец диэлектрика;

2 - шаровой электрод;

3 - плоский электрод;

4 - конденсатор;

5 - измерительный резистор;

7 - ограничительный резистор;

11 - медный провод разряда цепи;

12 - тефлоновые вставки;

13 - высокочастотный высоковольтный вывод;

14 - медный экран;

15 - гетинаксовая подложка.

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.

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 I_m=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.

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.

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.

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 C_d, 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

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 I_m и длительности тока Δt находят, соответственно, из соотношений: I_m=U/R₀, Δt=R₀C.