王志浩,周 嶺,馮偉泉,3,劉業(yè)楠,徐焱林,田東波,白 羽,3,丁義剛,3,馬子良
(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所;2.北京空間飛行器總體設(shè)計部;3.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室:北京 100094)
現(xiàn)代航天器相當于功能非常復(fù)雜的機電設(shè)備,絕緣材料與組件構(gòu)成其電信號傳遞和作用的邊界。絕緣材料在空間環(huán)境下會發(fā)生退化甚至失效,導(dǎo)致嚴重后果。國外研究機構(gòu)統(tǒng)計了1980—2005年發(fā)生在129個航天器上的156個在軌故障,按類型將其分為電子電路類、機械類、軟件類和不確定4類,其中電子電路類故障占總故障的45%[1],而電絕緣問題是導(dǎo)致電子電路類故障的主要原因之一。
為了確??臻g電子產(chǎn)品能夠滿足在軌應(yīng)用的需要,須合理規(guī)劃電絕緣試驗以驗證其性能是否符合要求。廣義的電絕緣試驗的目標是驗證產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)遵從既定電性能指標的能力[2]。然而在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)實施試驗,無論是從成本還是從時間上都是無法接受的,因此工程上一般根據(jù)絕緣設(shè)計原則和在軌經(jīng)驗教訓(xùn),針對絕緣退化特別是各種類型的放電問題,結(jié)合產(chǎn)品特點及環(huán)境因素總結(jié)出若干突出的問題環(huán)節(jié),梳理形成了較為系統(tǒng)的電絕緣試驗項目,供設(shè)計和工藝人員選擇和應(yīng)用。
工程上電絕緣試驗的實施一般要結(jié)合已有的絕緣防護措施,驗證其在“危險”環(huán)境下的有效性,所選擇的環(huán)境不是真實的空間環(huán)境,是基于對空間環(huán)境與電子產(chǎn)品相互作用引發(fā)絕緣問題的預(yù)判,將主導(dǎo)性的環(huán)境因素辨識和裁剪設(shè)計之后進行必要的試驗驗證。目前,空間電絕緣試驗的流程相對明確,重點針對高電壓電子產(chǎn)品和特殊產(chǎn)品,要求其在鑒定驗收階段實施相應(yīng)試驗工作,以有效檢測殘存的電絕緣風(fēng)險和問題。然而,產(chǎn)品設(shè)計及工藝人員對這些相對專業(yè)的試驗項目往往存在疑惑,包括:
1)辨識電絕緣問題時需要考慮的空間環(huán)境因素。不同的絕緣類型對什么樣的空間環(huán)境因素敏感,如何提取關(guān)鍵性環(huán)境因素結(jié)合具體試驗方法進行裁剪和設(shè)計,是合理實施電絕緣試驗的前提。
2)如何根據(jù)實際情況選擇合適的電絕緣試驗項目。目前部件級以上的試驗較關(guān)注真空放電試驗和微放電試驗[3-4]。而要不要選擇其他電絕緣試驗以及選擇何種類型的試驗設(shè)備,也是實施電絕緣試驗前必須解決的問題。
3)在實施電絕緣試驗時測試的難點和注意事項。電絕緣試驗往往需要根據(jù)產(chǎn)品的特點進行規(guī)劃和實施,如何準確地獲取確定放電特性,進行必要的絕緣、對微小放電進行補償,以及如何定位放電,都是電絕緣試驗中需要關(guān)注的問題。
本文試圖提供綜合思路及方案,旨在于產(chǎn)品研制早期,針對產(chǎn)品特點及應(yīng)用環(huán)境分析可能的電絕緣問題,選擇合適的電絕緣試驗項目,科學(xué)合理地實施電絕緣試驗。
在電絕緣試驗的設(shè)計階段,分析產(chǎn)品在軌環(huán)境及相應(yīng)效應(yīng)非常重要。應(yīng)針對產(chǎn)品的絕緣類型,分析其對不同環(huán)境因素的敏感性,如表1所示[5]。
表1 空間電絕緣關(guān)聯(lián)環(huán)境因素分析Table 1 Analysis of electrical insulation related space environmental factors
空間電子產(chǎn)品大多采用固體絕緣,受空間特殊環(huán)境影響相對不敏感,但對電應(yīng)力、溫度及受力情況較為敏感,在分析絕緣風(fēng)險及設(shè)計電絕緣試驗時應(yīng)著重考慮上述3個因素的影響;處于航天器表面或有特殊需求的電子產(chǎn)品可能會選用真空絕緣,雖然不額外占用質(zhì)量但可靠性較差,與幾乎所有的環(huán)境因素都有較強的關(guān)聯(lián)性,且放電閾值電壓可能非常低,例如在低氣壓等離子體環(huán)境下可能僅有24 V[6]。
在進行環(huán)境及效應(yīng)的分析時,尤其是對航天器表面產(chǎn)品,單一環(huán)境因素的靜態(tài)分析往往是不夠的,應(yīng)考慮動態(tài)多環(huán)境因素作用的情況。以日本先進地球觀測衛(wèi)星(ADEOS-Ⅱ)故障為例說明環(huán)境及效應(yīng)分析不到位導(dǎo)致的電絕緣失效問題[7]:該衛(wèi)星在運行10個月后供電功率突然從6 kW降低到1 kW,衛(wèi)星隨后失效。事后經(jīng)排查和復(fù)現(xiàn),確認為一側(cè)太陽電池板功率電纜短路所致,是一起典型的電絕緣失效導(dǎo)致的故障。如果靜態(tài)地看待功率電纜的絕緣問題,其外皮的絕緣強度遠大于太陽電池板母線電壓,故障不可能發(fā)生。實際上該事故正是對環(huán)境認識和分析不足所導(dǎo)致:首先是熱分析存在嚴重的缺陷,電纜實際工作溫度超過了其絕緣外皮能夠耐受的溫度,在溫度循環(huán)作用下線纜外皮開裂,固體絕緣退化為真空絕緣;其次是對軌道帶電問題認識不足,這也在一定程度上導(dǎo)致了工藝設(shè)計上的疏漏(未接地),熱控多層上發(fā)生了靜電放電,局部產(chǎn)生的等離子體破壞了脆弱的真空絕緣,使電纜短路并最終燒毀,如圖1所示。
圖1 ADEOS-Ⅱ衛(wèi)星故障分析Fig.1 Fault analysis of ADEOS-Ⅱsatellite
電絕緣試驗種類較多,按照測試對象可分為材料級電絕緣測試和部件級電絕緣試驗,服務(wù)于材料選擇,過程評估及驗證,產(chǎn)品鑒定或驗收。由于材料級電絕緣測試較為成熟和規(guī)范,諸如絕緣電阻測試、表面電阻率測試、體電阻率測試、介電損耗因子測試等[8-12],本部分重點針對部件級電絕緣試驗,按照試驗項目的用途、結(jié)合產(chǎn)品的特點給出一般性的選擇原則。雖然不同的研究機構(gòu)總結(jié)的電絕緣試驗項目名稱有所不同,但實際實施的驗證內(nèi)容相近,表2所列出的電絕緣試驗項目參考國外規(guī)范[5]并結(jié)合了國內(nèi)工程應(yīng)用內(nèi)容。
表2 部件級電絕緣試驗項目及用途Table 2 Items and applications of high voltage tests
如表2所示,可將部件級電絕緣試驗按目的分為3類:1)工藝檢查類型試驗。包括局部放電試驗和絕緣耐壓試驗,主要對絕緣防護工藝進行檢查確認。2)環(huán)境敏感性類型試驗。包括三結(jié)合處試驗、真空放電試驗、微放電試驗及靜電放電試驗,主要對真空、低氣壓、等離子體等環(huán)境與電子產(chǎn)品相互作用誘發(fā)放電進行模擬和驗證。3)可靠性試驗。主要涉及電應(yīng)力、溫度、力學(xué)等因素,針對固體絕緣的壽命及極端工況進行驗證和評估。
空間電絕緣問題多集中于高電壓部位及航天器表面(采用真空絕緣),其中高電壓電子產(chǎn)品多為真空灌封工藝,可采用局部放電試驗或者絕緣耐壓試驗對工藝質(zhì)量進行檢驗;目前工程上還應(yīng)用真空放電試驗驗證電子產(chǎn)品在上升段對低氣壓環(huán)境的敏感性,即便固體絕緣對低氣壓環(huán)境不敏感,但同樣可以通過真空放電試驗檢驗整個電絕緣系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)(下文 3.1節(jié)會專門論述)。真空絕緣類型的電子產(chǎn)品應(yīng)著重關(guān)注環(huán)境因素的影響,采用三結(jié)合處試驗(等離子體環(huán)境)、真空放電試驗(低氣壓環(huán)境)、微放電試驗(真空輻射環(huán)境)和靜電放電試驗(等離子體環(huán)境,涉及二次放電問題)分別驗證產(chǎn)品在不同環(huán)境與工況條件下的放電特性。
部件產(chǎn)品種類繁多,涉及環(huán)境條件也比較繁雜,無法固化試驗參數(shù),因此在試驗設(shè)計時,需要在相關(guān)標準的基礎(chǔ)上進行適應(yīng)性的剪裁設(shè)計,參數(shù)剪裁工作的重點是環(huán)境參數(shù)及電應(yīng)力參數(shù)。
1)環(huán)境參數(shù)
環(huán)境參數(shù)在剪裁時應(yīng)遵循“最惡劣”原則,此外還受到試驗?zāi)芰Φ南拗啤!白類毫印杯h(huán)境是指產(chǎn)品在該環(huán)境下發(fā)生放電和絕緣退化最為容易,往往等同于放電閾值最低?!白類毫印杯h(huán)境對于某些環(huán)境因素有明確的界定,而另外一些環(huán)境因素則不同,如表3所示。
表3 “最惡劣”環(huán)境因素分析Table 3 Analysis for the worst environment
2)電應(yīng)力參數(shù)
按照加載電壓的大小可將測試等級分為L1和L2級,其中L1級測試用于鑒定產(chǎn)品是否滿足要求,屬于驗收性質(zhì);L2級測試則用來確定設(shè)計余量。在測試實施時,可在完成L1級測試后繼續(xù)實施L2級測試,可根據(jù)實際情況調(diào)整具體試驗加載電壓的量值:L1級試驗Utest=Umax;L2級試驗Utest=1.5Umax~2Umax。其中:Utest為試驗加載電壓;Umax為最大工作電壓。
需要說明的是,L2級試驗可能導(dǎo)致絕緣材料損傷,不適合在正式產(chǎn)品上實施。另外加載的電壓可選擇直流也可以選擇交流信號。對于局部放電試驗,一般認為周期性信號更有效[17],也便于使用電測儀器捕捉放電信號和保護試驗樣品。
電絕緣試驗系統(tǒng),是指系統(tǒng)組成相對復(fù)雜,能夠?qū)嵤┎考壱陨想娊^緣試驗的專門試驗系統(tǒng)。根據(jù)表2所述將試驗系統(tǒng)對應(yīng)分為3類,分別為產(chǎn)品可靠性試驗系統(tǒng)、外部電子產(chǎn)品電絕緣試驗系統(tǒng)、內(nèi)部電子產(chǎn)品電絕緣試驗系統(tǒng)。
產(chǎn)品可靠性試驗系統(tǒng)主要服務(wù)于長期運行絕緣系統(tǒng)的可靠性評估,也可用于極端工況下產(chǎn)品絕緣性能測試。這類系統(tǒng)的特點是溫度調(diào)節(jié)范圍較寬,可用于特殊部件,例如空間核電源用絕緣系統(tǒng)[18]、深空軌道探測器中無主動熱控防護的電子單機等。
外部電子產(chǎn)品電絕緣試驗系統(tǒng)主要服務(wù)于環(huán)境敏感性類型的電絕緣試驗,其特點是需要配置各種源裝置,以模擬空間環(huán)境因素。該類系統(tǒng)可用于衛(wèi)星表面及外圍電子產(chǎn)品(如太陽電池陣、功率電纜、天線和測量探頭等)的電絕緣試驗。
內(nèi)部電子產(chǎn)品電絕緣試驗系統(tǒng)服務(wù)于一般性的電絕緣試驗,可配置壓力調(diào)節(jié)裝置,以實施工藝檢查類型的電絕緣試驗項目或真空放電試驗。該類系統(tǒng)可用于衛(wèi)星內(nèi)部安裝的各型電子單機。
電絕緣試驗系統(tǒng)組成如圖2所示。
圖2 電絕緣試驗系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of the electrical insulation test system
電絕緣試驗中涉及多種測試項目,其中成分分析及光譜分析可采用商用儀器設(shè)備,本部分重點討論需根據(jù)實際情況專門設(shè)計的放電測試技術(shù),包括放電回路絕緣、微小放電補償以及放電位置確定問題。
對放電回路絕緣的需求表現(xiàn)在以下2方面:
1)預(yù)設(shè)的放電位置在整個放電回路中絕緣強度最低
在實施放電測試時,應(yīng)確保放電發(fā)生在試驗對象預(yù)設(shè)的位置處。這就要求在整個放電回路中,其他環(huán)節(jié)的放電閾值高于該位置的。一般情況下,對放電回路進行絕緣處理的重點是真空容器內(nèi)部,例如裸露的金屬連接點、接插件、線纜接頭以及穿艙法蘭的接線端子(圖3顯示了法蘭接線端子處的放電痕跡,后經(jīng)涂覆處理解決了這一問題),原則上在放電回路上不允許出現(xiàn)除試驗樣品外的其他裸露金屬體。
圖3 穿艙法蘭接線端子電痕Fig.3 Electric mark on flange terminal
需要指出的時,部分試驗樣品本身已經(jīng)做了絕緣防護(例如涂覆和灌封),絕緣性已有大幅提高,因此放電回路其他位置處的絕緣性能也要相應(yīng)加強,以保證在整個放電回路中試驗樣品的預(yù)設(shè)位置處于整個回路“最薄弱”環(huán)節(jié)。
2)并行連接每個單獨的測試點
放電一旦發(fā)生,導(dǎo)體端子處的電壓會隨之降低,就杜絕了整個回路中其他位置發(fā)生放電的可能。如果試驗中需要考察多個位置處的放電特性,那么將其連接在一起就只能測試最低閾值位置處的放電特性。針對這種情況,需要并行連接每個單獨的測試點并做好彼此之間的絕緣,如圖4所示。
圖4 多個測試點的連接示意Fig.4 Schematic diagram of mutiple test point connections
在實施放電測試時,另一項非?,F(xiàn)實的問題就是放電能量微小,導(dǎo)致無法測量。例如,2個小尺寸的金屬電極,其電容為pF量級,,如果需要測試其放電閾值,在不進行補償?shù)那闆r下是非常困難的:首先,放電電流非常小,電測儀器無法捕捉;其次,放電時間非常短,測量儀器動態(tài)響應(yīng)不足;最后,放電光強不足,無法觀察、拍攝和定位。
因此可以采用外接電路補償?shù)姆绞絒19],測試電路如圖5所示。該測試電路通過外接一個補償電容提供額外的放電能量,且可通過選擇電容大小控制放電的峰值及脈寬;通過偏置電源提供電壓,可以選擇偏置電源的接地方式來控制偏壓極性;試驗時通過采集測試電阻上的電壓信號捕捉和辨識放電信號。
圖5 微小放電補償電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of compensation circuit for minor discharging
如果單獨采用一個補償電容無法滿足試驗測試的要求,可采用多個電容、電感以及電阻組成補償電路,以獲取較為理想的動態(tài)響應(yīng)特性。需要說明的是,采用補償電路的方式雖然解決了微小放電測試的問題,但也會改變試樣除放電閾值之外固有的放電特性。
在實施電絕緣試驗時,需要確認放電位置是否發(fā)生在預(yù)設(shè)的位置處,因此應(yīng)合理擺放試驗樣品,使放電位置正對觀察窗口。如果放電位置較為固定,可采用肉眼觀察的方式;如果存在多個放電位置,且放電頻次較高、距離較近,在低照度條件下人眼很難觀察和記錄,則需要采用攝錄的方式捕捉放電光線,再通過計算機圖像處理的方式確定放電位置。需要說明的是,攝錄系統(tǒng)圖像采集速度要與放電特性相匹配,確保抓拍和記錄的準確性和有效性。圖6和圖7分別是北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研制的圖像攝錄系統(tǒng)及其拍攝處理得到的太陽電池板放電位置照片。
圖6 自主研制的圖像攝錄系統(tǒng)Fig.6 Self-developed video recording system
圖7 太陽電池板放電位置照片F(xiàn)ig.7 Discharging positions for the solar panel
隨著航天器技術(shù)的進步和發(fā)展,越來越多的航天器采用了更高母線電壓的供配電設(shè)備,以及模式更加復(fù)雜、工作電壓更高的電子產(chǎn)品。以直流高壓變換器、行波管放大器高壓電源、電推進高壓電源、激光雷達、科學(xué)探測與試驗高壓儀器等為代表的空間高電壓電子產(chǎn)品,其工作電壓從幾十V到上萬V不等,對航天器的電絕緣設(shè)計及驗證提出了更高的要求。電絕緣試驗是檢驗設(shè)計與工藝有效性和環(huán)境相容性的關(guān)鍵,因此有針對性地選擇電絕緣試驗類型,合理剪裁關(guān)鍵性指標,妥善處理試驗測試過程中的相關(guān)環(huán)節(jié),才能科學(xué)有序地實施電絕緣試驗工作,為評估和優(yōu)化產(chǎn)品絕緣性能提供依據(jù)和支撐,從而最大程度地避免絕緣退化或放電造成的損失,提高空間電子產(chǎn)品的可靠性。
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