空間電子產(chǎn)品電絕緣試驗技術(shù)研究

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）

0 引言

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。

1 電絕緣試驗設(shè)計

1.1 環(huán)境及效應(yīng)分析

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

1.2 試驗項目選擇

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。

1.3 參數(shù)剪裁

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。

2 電絕緣試驗系統(tǒng)

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

3 放電測試技術(shù)

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。

3.1 放電回路絕緣

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

3.2 微小放電補償

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。

3.3 放電位置確定

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

4 結(jié)束語

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。

（References）

[1]TAFAZOLI M.A study of on-orbit spacecraft failures[C]//58thInternational Astronautical Congress.Hyderabad,India,2007

[2]DUNBAR W G.High voltage design guide: Volume V Spacecraft: AFWALTR-82-2057-VOL-5[R],1983

[3]中國空間技術(shù)研究院.航天器組件環(huán)境試驗方法: 第2部分 真空放電試驗: Q/W 50.2A―2007[S]

[4]中國空間技術(shù)研究院.航天器射頻部件與設(shè)備微放電試驗方法: Q/W 1215―2009[S]

[5]Space engineering: high voltage engineering and design handbook: ECSS-E-HB-20-05A[S].Noordwijk,The Netherlands: ESA-ESTEC,2012

[6]Spacecraft design and fabrication requirements for electronic packaging and cabling: JPL D-8208[S].Los Angeles: JPL,2002

[7]MAEJIMA H,KAWAKITA S,KUSAWAKE H,et al.Investigation of power system failure of a LEO satellite[C]//2ndInternational Energy Conversion Engineering Conference.Providence,RI,USA,2004:1-6

[8]固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率測試方法:GB/T 1410—2006[S]

[9]測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長在內(nèi)）下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法: GB/T 1409—2006[S]

[10]Methods of test for volume resistivity and surface resistivity of solid electrical insulating materials: IEC 60093[S],1980

[11]Recommended methods for the determination of the permittivity and dielectric dissipation factor of electrical insulating materials at power,audio and radio frequencies including metre wave-lengths: IEC 60250[S],1969

[12]Standard test methods for AC loss characteristics and permittivity (dielectric constant) of solid electrical insulation: ASTM D150[S],1998

[13]局部放電測量: GB/T 7354—2003[S]

[14]High-voltage test techniques: Partial discharge measurements: IEC 60270[S],2000

[15]工業(yè)機械電氣設(shè)備 耐壓試驗規(guī)范: GB/T 24344—2009[S]

[16]菅井秀郎.等離子體電子工程學(xué)[M].張海波,張丹,譯.北京: 科學(xué)出版社,2002: 73-75

[17]Standard test method for detection and measurement of partial discharge (corona) pulses in evaluation of insulation systems: ASTM D1868[S].West Conshohocken:ASTM International,1998

[18]VINCENT R,MUELLER L A,KOUTNIK E A.System reliability analysis through corona testing: NASA TM X-3287[R]

[19]童靖宇,孫立臣,賈瑞金,等.空間等離子體環(huán)境模擬與地面試驗技術(shù)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2008,28(3): 203-207 TONG J Y,SUN L C,JIA R J,et al.Experimental techniques in simulated space plasma environment on ground[J].Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2008,28(3): 203-207