儀器抽真空時(shí)電氣絕緣性研究

摘要：儀器在抽真空時(shí)電氣元器件絕緣性變化很大，以至于此時(shí)給儀器供電容易造成短路從而燒壞電氣元器件，所以對(duì)儀器抽真空時(shí)電氣元器件絕緣性進(jìn)行研究，了解其原因從而在儀器制造或者調(diào)試時(shí)采取保護(hù)措施，避免燒壞元器件的發(fā)生具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：儀器抽真空試驗(yàn)裝置元器件絕緣性

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791(2012)02(c)-0000-00

儀器在抽真空時(shí)電氣元器件絕緣性下降，而在此時(shí)給儀器供電容易造成短路燒壞電氣元器件，所以對(duì)儀器抽真空時(shí)元器件絕緣性進(jìn)行研究，從而在儀器制造或者調(diào)試時(shí)采取保護(hù)措施，避免燒壞電氣元器件造成巨大損失具有非常重要的指導(dǎo)意義。

在儀器制造過程中，儀器組裝完畢后或者維修保養(yǎng)完成后需要將儀器進(jìn)行抽真空，然后注入液壓油。而為了將儀器內(nèi)部空氣充分抽干凈，必須在抽真空的同時(shí)給儀器供電開關(guān)電磁閥等。

在抽真空之前測量各纜芯的通斷絕緣均正常，但是一旦抽真空給儀器供電出現(xiàn)短路現(xiàn)象導(dǎo)致燒毀電氣元器件，最初以為控制或者測量電路故障導(dǎo)致，經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)由于抽真空后電氣絕緣性急劇下降導(dǎo)致，為了查找真正的原因從而采取保護(hù)措施，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，特對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行研究。

1 儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖1）主要有油箱外殼、承壓接頭、電機(jī)、液壓泵及電磁閥等元器件，為了將儀器液壓系統(tǒng)全部注入液壓油避免空氣對(duì)液壓系統(tǒng)造成損壞，所以在儀器新制造完成或者維修保養(yǎng)完畢后必須對(duì)儀器內(nèi)部抽真空并注入液壓油。而電磁閥將液壓缸活塞兩端隔離開，所以抽真空時(shí)需要給儀器供電打開電磁閥使其所有液壓腔與油箱連通，便于抽真空時(shí)徹底將空氣抽干凈。

圖1 儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 儀器抽真空過程

抽真空注油的過程（見圖2）是給儀器供電打開所有電磁閥將儀器液壓系統(tǒng)所有腔與油箱連通，使用真空泵將儀器內(nèi)部空氣抽干凈形成真空，然后利用大氣壓將液壓油從真空注油機(jī)里注入儀器，完成抽真空注油的過程。

圖2 儀器抽真空結(jié)構(gòu)示意圖

3 儀器抽真空時(shí)的絕緣變化

分別對(duì)儀器使用的4個(gè)單針密封塞及20芯承壓接頭中的4芯做了抽真空的絕緣性試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表1及表2

表1 單針密封塞絕緣電阻隨真空度變化表

真空度/Pa

1#密封塞

絕緣電阻

2#密封塞

絕緣電阻

3#密封塞

絕緣電阻

4#密封塞

絕緣電阻

104

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

8000

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

6000

〉2400Mohm

〉2400Mohm

〉2400Mohm

〉2500Mohm

5050

〉2300Mohm

〉2300Mohm

〉2300Mohm

〉2400Mohm

5000

4Mohm

4.2Mohm

4.1Mohm

4Mohm

3000

4Mohm

4.2Mohm

4.1Mohm

4Mohm

1000

3Mohm

3.1Mohm

3Mohm

3.2Mohm

800

2Mohm

2.2Mohm

2Mohm

2.1Mohm

600

1.2Mohm

1.3Mohm

1.1Mohm

1.2Mohm

400

0.8Mohm

0.7Mohm

0.6Mohm

0.8Mohm

200

0.8Mohm

0.7Mohm

0.6Mohm

0.8Mohm

50

0.8Mohm

0.7Mohm

0.6Mohm

0.8Mohm

常壓

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

表2 20芯承壓接頭絕緣電阻隨真空度變化表

真空度/Pa

1#芯絕緣電阻

2#芯絕緣電阻

3#芯絕緣電阻

4#芯絕緣電阻

104

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

8000

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

6000

〉2400Mohm

〉2300Mohm

〉2400Mohm

〉2400Mohm

5050

〉2200Mohm

〉2200Mohm

〉2200Mohm

〉2100Mohm

5000

3Mohm

3.2Mohm

3.1Mohm

3Mohm

3000

3Mohm

3.2Mohm

3.1Mohm

3Mohm

1000

2.5Mohm

2.6Mohm

2.4Mohm

2.4Mohm

800

2Mohm

2.2Mohm

2Mohm

2.1Mohm

600

1.2Mohm

1.3Mohm

1.1Mohm

1.2Mohm

400

0.6Mohm

0.7Mohm

0.6Mohm

0.5Mohm

200

0.6Mohm

0.7Mohm

0.6Mohm

0.5Mohm

50

0.6Mohm

0.7Mohm

0.6Mohm

0.5Mohm

常壓

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

〉2500Mohm

從表1及表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單針密封塞及20芯承壓接頭的絕緣性變化均有共同的趨勢(shì)，即共有如下的4個(gè)部分：

a. 真空度在5050Pa以上的絕緣電阻下降緩慢；

b. 真空度在5000Pa時(shí)絕緣電阻急劇下降；

c. 真空度在5000Pa之后的絕緣電阻下降緩慢；

d. 真空度恢復(fù)常壓后絕緣電阻恢復(fù)正常。

4 儀器抽真空時(shí)的絕緣性下降原因分析[1]

4.1 儀器絕緣電阻在5050Pa以上隨真空度升高緩慢下降

按照氣體分子運(yùn)動(dòng)理論，氣體介質(zhì)的電導(dǎo)率為：

式中：─電導(dǎo)率，

─載流子的種類

─第種載流子的濃度，

─第種載流子的電荷，

─第種載流子的遷移率，即第種載流子在單位電場強(qiáng)度作用下所獲得的宏觀平均速度，

而載流子的遷移率與平均自由行程（載流子在兩次碰撞間所走過的距離）成正比，即，因此有：

式中─與溫度、氣體介質(zhì)分子質(zhì)量有關(guān)的系數(shù)，

由此可見，當(dāng)溫度一定、氣體介質(zhì)一定時(shí)，氣體介質(zhì)的電導(dǎo)率取決于氣體介質(zhì)中的各種載流子的濃度、載流子的電荷和自由行程。一般將載流子的電荷看作一個(gè)電子的電量，那么電導(dǎo)率的增減就完全取決于載流子的濃度與自由行程了，隨著真空度的提高，氣體中載流子和氣體分子的濃度都在逐漸降低，但自由行程卻在增長，當(dāng)這種增長比載流子的濃度下降更占優(yōu)勢(shì)，即電導(dǎo)率就表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，從而測得的絕緣電阻就會(huì)下降。但由于氣體中載流子的總數(shù)有限，所以電導(dǎo)率增長并不明顯，曲線變化平緩。

由此解釋了單針密封塞及20芯承亞接頭真空度在5050Pa以上的絕緣電阻緩慢下降的原因。

4.2 儀器絕緣電阻在5050Pa時(shí)突然下降

隨著真空度的進(jìn)一步提高，載流子的濃度變得更低了，但自由行程卻在進(jìn)一步增長。根據(jù)：

式中─電場力對(duì)載流子所做的功，

─載流子所帶載荷，

─載流子的平均自由行程，

─氣體介質(zhì)所處電場強(qiáng)度，

當(dāng)足夠大以至于使大于被載流子碰撞的氣體分子的電離能時(shí)，在碰撞的瞬間，氣體分子就會(huì)因獲得載流子的能量而電離出電子，亦即通常所說的氣體電離。這種電離使?jié)舛缺疽呀档煤艿偷妮d流子突然增加，于是電導(dǎo)率激增，電阻率突然下降，以至于無法維持在兆歐數(shù)量級(jí)。

由此解釋了單針密封塞及20芯承亞接頭真空度在5000Pa時(shí)的絕緣電阻突然下降的原因。

4.3 儀器絕緣電阻在5050Pa之后隨真空度下降變化緩慢

在突降點(diǎn)之后，隨著真空度的提高，電阻仍在下降，但已趨平緩。真空度繼續(xù)提高，載流子仍在不斷地隨氣體抽出，但電離率仍在上升，這說明持續(xù)有更多的分子發(fā)生碰撞電離。曲線趨于平緩，說明電離產(chǎn)生載流子的速度與抽出載流子的速度基本平衡。

這就解釋了單針密封塞及20芯承亞接頭真空度在5000Pa時(shí)絕緣電阻急劇下降之后緩慢下降的原因。

4.4 真空度恢復(fù)常壓后儀器絕緣電阻恢復(fù)正常

在突降點(diǎn)上僅僅是發(fā)生了“電離”而不是“擊穿”。氣體擊穿理論的立足點(diǎn)是氣體分子發(fā)生了電離，即電離必然導(dǎo)致?lián)舸?。在我們的試?yàn)中，由于場強(qiáng)不高，雖然發(fā)生了電離，但突降點(diǎn)后仍然可長時(shí)間維持低電阻狀態(tài)，而不是像真正的擊穿那樣，突然之間兩電極貫通，電流成為無窮大，電阻幾乎為零。所以給儀器抽真空僅僅是浸油和注油過程的預(yù)處理階段，在該階段所形成的“氣-固”絕緣結(jié)構(gòu)只是一種“臨時(shí)結(jié)構(gòu)”，當(dāng)恢復(fù)常壓后其電氣絕緣性恢復(fù)正常。

5 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過研究與試驗(yàn)，對(duì)儀器的單針密封塞及20芯承壓接頭的針上套上一層耐油膠套或者高溫?zé)峥s管（如圖3），使其不直接暴露在真空環(huán)境中，這樣抽真空時(shí)電氣絕緣沒有明顯下降，滿足了在抽真空時(shí)給儀器通電的要求，解決了抽真空時(shí)通電燒元器件的疑難問題，使生產(chǎn)順利進(jìn)行。

圖3 單針密封塞抽真空保護(hù)措施

6 結(jié)語

通過對(duì)儀器抽真空時(shí)元器件絕緣變化的研究，了解了抽真空元器件絕緣性變化的原因及規(guī)律，從而采取相應(yīng)的保護(hù)措施，解決了抽真空時(shí)絕緣性明顯下降滿足不了抽真空時(shí)通電的要求的問題，為實(shí)現(xiàn)每年5千多萬元的儀器生產(chǎn)調(diào)試提供技術(shù)保障，同時(shí)對(duì)類似的抽真空作業(yè)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]（美）席爾斯（Sears，F(xiàn).W.），（美）沙林格（Salinger，G.L.）著；柳文琦譯.熱力學(xué)、分子運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，高等教育出版社，1988，07.

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項(xiàng)目來源：中國海洋石油集團(tuán)公司重大裝備技術(shù)研究項(xiàng)目

作者簡介：唐玉宏（1980-），男，彝族，貴州興仁人，工程師，2002年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事測井儀器研究及產(chǎn)業(yè)化工作 。