高压放大器在方波脉冲电场下聚酰亚胺空间电荷中的应用

实验名称：方波脉冲电场下聚酰亚胺空间电荷的直接检测技术研究

研究方向：聚酰亚胺薄膜因其优异的电气性能，在变频调速电机绝缘系统中得到广泛应用。然而，方波电场极性反转的快速过程（ns-μs级）给直接检测介质内部空间电荷带来挑战。本文采用电声脉冲法，通过优化系统参数，实现了方波电场下空间电荷的直接动态检测，相位分辨率达1.79°，并降低了电压波形失真。研究发现，未热处理的聚酰亚胺在直流电场下存在双载流子注入和深陷阱注入，导致空间电荷长时间积聚。而在方波电场下，空间电荷主要来自下电极铝板注入的同极性电荷，电压极性反转时可快速抽出，无明显积累。热处理可能破坏聚酰亚胺分子链，影响表面形貌并增大高频段介电常数，但对耐击穿性能影响不明显。热处理减弱了直流电场下的正极性电荷注入，加速了空间电荷耗散，但对方波电场下的空间电荷分布影响有限。此外，上升沿时间在100μs-1000μs范围内对空间电荷积累量和位置分布基本无影响。

实验目的：方波脉冲电场下聚酰亚胺空间电荷的直接检测

测试设备：函数发生器，高压放大器，高压高频脉冲源，分压器，数字示波器，计算机

实验过程：输出信号设置为方波波形时，频率范围为1μHz至50MHz，方波上升沿下降沿时间不超过5ns。双通道函数发生器一路输出频率和幅值均可调的任意周期电压信号，经高压放大器后施加到待测试样上。高压放大器最高输出电压为20kV,函数发生器另一路输出周期性的TTL时间信号，同时控制高压高频脉冲源产生脉冲激励和触发数字示波器采集。高频高压脉冲源也为实验室自主研发装置，设置为在TTL上升沿时触发，每次触发输出一个脉宽可调（5ns-20ns）的高频脉冲激励，脉冲幅值最大可达2.5kV，重复频率最高为3kHz。高压脉冲经保护电容耦合到被测试样上，保护电容的最主要作用是防止高压放大器输出传递到脉冲源测造成设备损坏。示波器采用具备大数据量保存功能的数字示波器，也采用TTL上升沿触发，这样就可保证每次脉冲激励产生的空间电荷信号都能被保存下来。PEA电极系统是由实验室自主研发搭建的系统，其中上电极材料为半导电，下电极采用铝电极。PVDF压电传感器将电荷受激振动产生的声信号转变为电信号，通过放大器传送到示波器进行读取和保存，示波器同时记录该时刻施加到试样上的电压以便后期数据处理。

图1-1：实验流程框图

实验结果：本文中方波电场频率fa=50Hz，根据AEPS原理的特征方程，将脉冲激励的频率设置为fp=2010Hz，则出现检测相位重复的最少方波周期数Na为5，该时间段内出现的脉冲数Np为201，根据相位分辨率公式(2-4)可知相位分辨率Δ'约为1.79°。通过图可以更好的说明AEPS的测量原理。方波频率为50Hz，脉冲激励频率为2010Hz，则在一个方波周期里有2010/50=40.2个脉冲激励，一个方波周期里包含有40个不重复的脉冲激励。假设第一个方波周期开始时脉冲在0°相位位置，那么第41个脉冲信号对应的方波相位为41/2010*50*360=367.16°，也即7.16°。从41至80这四十个脉冲信号都对应在第二个方波周期里，且与第一个周期里的脉冲对应的相位都不重复。类似的第81个脉冲信号对应的相位为5.37°，第121个脉冲信号对应的相位为3.58°，第161个脉冲信号对应1相位

图1-2：方波电场下AEPS采集示意图

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